硅基雪崩光电二极管器件原理、建模与应用研究
发布时间：2021-01-14 15:09
光电探测器广泛应用于生物医疗、军事、工业、民用等领域,随着弱光探测领域的开拓对光电探测器性能也提出了新的要求,雪崩光电二极管（Avalanche photodiode,APD）以高响应度、快速响应成为近年来的研究热点之一。基于化合物制作的雪崩光电二极管难以大规模阵列集成,而基于硅基工艺制作的雪崩光电二极管有利于进行芯片级的光电器件研究。本文从器件的物理机制出发,讨论了APD原理,设计了一种具有高响应度、雪崩电压可调的APD器件。发现可以通过雪崩光电二极管的雪崩与淬灭进行忆阻特性的研究,同时对雪崩光电二极管忆阻器在电子突触上的应用进行了探索。本文研究的基于雪崩光电二极管的忆阻器解决了传统忆阻器不适用大规模集成的问题。本文的研究工作如下:1.本文基于大量文献阅读的基础,综述了硅基雪崩光电二极管的探测器件结构。分析了雪崩光电二极管的工作原理,设计了一种基于0.18um BCD工艺制作的硅基雪崩光电二极管器件,并阐明了设计的雪崩光电二极管器件工作原理。2.用数值模型的方法对雪崩光电二极管进行了研究,探索了基于APD光电探测器原理建立的物理关系等效数值模型。改善了一种基于APD光电探测器原理及传...
【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
忆阻器的研究方向示意图
硕士学位论文220inppnpoppPdVVCIVdtR=++（3-4）0invnnnonnPdVVCIVdtR=++（3-5）0mIiniiinnoinrntPdVVVCIVdtRR=++（3-6）m0I()ninnpp=CVV+V（3-7）最后得到电流与电压的关系式为：00()[exp()1]inpnrinonnoppininnrntinntoiinpVRPVIVIPqNCRRICRVV++==·（3-8）2sin(5000.6)CTI=C（3-9）TsjC=C+C（3-10）sC为寄生电容，jC为结电容。pidcI=I+I+I（3-11）dI为隧穿电流与其他寄生漏电流之和。用表3-1中的数值参数和物理公式建立APD的数值模型，在仿真软件Multisim使用ASM语言进行描述，对上述的数值赋值和公式描述，建立了APD的模型，将雪崩光电二极管的数值模型封装成Multisim软件中的一个器件，如图3-1所示。图3-1雪崩光电二极管数值模型封装器件
硅基雪崩光电二极管器件原理、建模与应用研究23表3-1部分重要参数数值参考表参数数值参数数值参数数值A/um22500vsn/cm.s-11e7bp/V.cm-12.17e6wi/um25vsp/cm.s-11e7Cp1Λ0.6328An/cm-15.7e6Fth/V.cm-13500R0.3Bn/V.cm-11.7e6Rd10e14αi27cn1μn/cm2.V-1.s-18000Vbi1.56ap/cm-15.3e6μp/cm2.V-1.s-1300εs12Cn0/F1e12Cs/pF0.01图3-1中的接口1代表APD的阴极，外接高电压，图中接口2代表APD的阳极，接低电压，图中接口3代表APD的光控端，为了使得APD的雪崩等效电路更为简单，这里使用具有脉冲电压源进行代替，基于模型设计的需要已经将光强度在模型中转化成与电压有关的参数，当电压源的电压越大代表APD中光强度越大，当电压源的电压为0时，代表无光照射，由于无光条件外界的参数无法破坏模型中的载流子平衡，也就无法产生雪崩。通过Multisim软件进行仿真验证，在这里仿真了器件的取样电阻（100Ω）上的雪崩电压曲线，如图3-2所示。器件的雪崩电压仿真采用的是被动淬灭的方式，这样为雪崩光电二极管忆阻器的仿真奠定了基矗图3-2雪崩光电二极管数值模型的雪崩电压曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]WOx基忆阻器的信息存储及神经突触仿生研究[J]. 承艳坤,林亚,王中强,徐海阳,刘益春. 微纳电子与智能制造. 2019(04)
[2]氧化物基忆阻型神经突触器件[J]. 刘益春,林亚,王中强,徐海阳. 物理学报. 2019(16)
[3]高边缘击穿和扩展光谱的圆形单光子雪崩二极管（英文）[J]. 金湘亮,曾朵朵,彭亚男,杨红姣,蒲华燕,彭艳,罗均. 红外与毫米波学报. 2019(04)
[4]基于忆阻器的神经突触的设计[J]. 高畅,李彤,李泉,王铁钢,范其香,倪晓昌. 天津职业技术师范大学学报. 2019(02)
[5]STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管（英文）[J]. 金湘亮,彭亚男,曾朵朵,杨红姣,蒲华燕,彭艳,罗均. 红外与毫米波学报. 2019(02)
[6]IC版图闩锁预防[J]. 贺雪群. 数字技术与应用. 2019(03)
[7]集成电路版图设计技巧[J]. 成玉. 电子技术与软件工程. 2018(22)
[8]ZnO 自整流忆阻器及其神经突触行为[J]. 王洋,焦雷,赵飞文,李惠,郑秀,曹鸿涛,梁凌燕,张洪亮,高俊华,诸葛飞. 材料科学与工程学报. 2018(05)
[9]Excitatory and inhibitory actions of a memristor bridge synapse[J]. Changju YANG,Shyam Prasad ADHIKARI,Hyongsuk KIM. Science China（Information Sciences）. 2018(06)
[10]一种基于0.18μm CMOS工艺的高响应度APD[J]. 王巍,陈丽,鲍孝圆,陈婷,徐媛媛,王冠宇,唐政维. 激光与红外. 2017(01)
本文编号：2977073
【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
忆阻器的研究方向示意图
硕士学位论文220inppnpoppPdVVCIVdtR=++（3-4）0invnnnonnPdVVCIVdtR=++（3-5）0mIiniiinnoinrntPdVVVCIVdtRR=++（3-6）m0I()ninnpp=CVV+V（3-7）最后得到电流与电压的关系式为：00()[exp()1]inpnrinonnoppininnrntinntoiinpVRPVIVIPqNCRRICRVV++==·（3-8）2sin(5000.6)CTI=C（3-9）TsjC=C+C（3-10）sC为寄生电容，jC为结电容。pidcI=I+I+I（3-11）dI为隧穿电流与其他寄生漏电流之和。用表3-1中的数值参数和物理公式建立APD的数值模型，在仿真软件Multisim使用ASM语言进行描述，对上述的数值赋值和公式描述，建立了APD的模型，将雪崩光电二极管的数值模型封装成Multisim软件中的一个器件，如图3-1所示。图3-1雪崩光电二极管数值模型封装器件
硅基雪崩光电二极管器件原理、建模与应用研究23表3-1部分重要参数数值参考表参数数值参数数值参数数值A/um22500vsn/cm.s-11e7bp/V.cm-12.17e6wi/um25vsp/cm.s-11e7Cp1Λ0.6328An/cm-15.7e6Fth/V.cm-13500R0.3Bn/V.cm-11.7e6Rd10e14αi27cn1μn/cm2.V-1.s-18000Vbi1.56ap/cm-15.3e6μp/cm2.V-1.s-1300εs12Cn0/F1e12Cs/pF0.01图3-1中的接口1代表APD的阴极，外接高电压，图中接口2代表APD的阳极，接低电压，图中接口3代表APD的光控端，为了使得APD的雪崩等效电路更为简单，这里使用具有脉冲电压源进行代替，基于模型设计的需要已经将光强度在模型中转化成与电压有关的参数，当电压源的电压越大代表APD中光强度越大，当电压源的电压为0时，代表无光照射，由于无光条件外界的参数无法破坏模型中的载流子平衡，也就无法产生雪崩。通过Multisim软件进行仿真验证，在这里仿真了器件的取样电阻（100Ω）上的雪崩电压曲线，如图3-2所示。器件的雪崩电压仿真采用的是被动淬灭的方式，这样为雪崩光电二极管忆阻器的仿真奠定了基矗图3-2雪崩光电二极管数值模型的雪崩电压曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]WOx基忆阻器的信息存储及神经突触仿生研究[J]. 承艳坤,林亚,王中强,徐海阳,刘益春. 微纳电子与智能制造. 2019(04)
[2]氧化物基忆阻型神经突触器件[J]. 刘益春,林亚,王中强,徐海阳. 物理学报. 2019(16)
[3]高边缘击穿和扩展光谱的圆形单光子雪崩二极管（英文）[J]. 金湘亮,曾朵朵,彭亚男,杨红姣,蒲华燕,彭艳,罗均. 红外与毫米波学报. 2019(04)
[4]基于忆阻器的神经突触的设计[J]. 高畅,李彤,李泉,王铁钢,范其香,倪晓昌. 天津职业技术师范大学学报. 2019(02)
[5]STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管（英文）[J]. 金湘亮,彭亚男,曾朵朵,杨红姣,蒲华燕,彭艳,罗均. 红外与毫米波学报. 2019(02)
[6]IC版图闩锁预防[J]. 贺雪群. 数字技术与应用. 2019(03)
[7]集成电路版图设计技巧[J]. 成玉. 电子技术与软件工程. 2018(22)
[8]ZnO 自整流忆阻器及其神经突触行为[J]. 王洋,焦雷,赵飞文,李惠,郑秀,曹鸿涛,梁凌燕,张洪亮,高俊华,诸葛飞. 材料科学与工程学报. 2018(05)
[9]Excitatory and inhibitory actions of a memristor bridge synapse[J]. Changju YANG,Shyam Prasad ADHIKARI,Hyongsuk KIM. Science China（Information Sciences）. 2018(06)
[10]一种基于0.18μm CMOS工艺的高响应度APD[J]. 王巍,陈丽,鲍孝圆,陈婷,徐媛媛,王冠宇,唐政维. 激光与红外. 2017(01)
本文编号：2977073
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