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研究生:陳奕甫
研究生(外文):Yi-fu Chen
論文名稱:互補式金氧半發光與檢光積體電路佈局之研究
論文名稱(外文):A Layout Study of Light Emission and Light Detection Devices Using CMOS
指導教授:劉政光劉政光引用關係
指導教授(外文):C. K. Liu
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:互補式金氧半發光與檢光積體電路
外文關鍵詞:Light Emission and Light DetectionCMOS
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本論文研究互補式金氧半發光與檢光積體電路佈局,利用CIC之CMOS製程來設計積體電路。文中探討四個主題,矽發光元件、矽光二極體、光電流轉換轉阻抗放大積體電路(Transimpedance Amplifier)與光閘極式接收放大電路分析與設計。
第一部分進行矽發光元件的佈局研究與分析,綜合分析比較四種結構之矽發光元件的發光特性,四種P-N接面矽發光元件的面積分別為90 × 244 μm2、110 × 263 μm2、220 × 230 μm2、200 × 300 μm2,所得外部量子效率依序為2.12×10-6、3.00×10-6、3.02×10-6、3.6×10-6 。
第二部分為矽光二極體(Si-photodiode)的設計,所得四種矽光二極體之最高反應率R=1.54×10-3(A/W)與量子效率 =0.091。
第三部份為光電流轉換轉阻抗放大積體電路設計研究,將接收的光電流轉換為電壓輸出,模擬結果增益約74dBΩ,頻寬約為735MHz。
第四部分為光閘極式接受放大電路的分析與設計,其作用為可在光轉換成電荷之後,暫存於本身之位能井中,並可藉由位能井之高低來做電荷轉移。以上四個主題,皆採用矽為材料,利用CMOS製程可供發展光電積體電路(OEIC)的應用。
In this thesis, a layout study of light emission and light detection devices using CMOS is presented. CMOS process provided by CIC (Chip Implement Center) is used. Here, we study four topics: the silicon light emission, the silicon photodiode, the transimpedance amplifier and the photogate receiver.
The first part deals with the CMOS silicon light-emitting device. We use four types of devices to compare the characteristics of silicon light emitting devices. Four silicon light emission devices, of pn junctions are designed. The quantum external efficiencies are 2.12×10-6, 3.00×10-6, 3.02×10-6 and 3.6×10-6, with an area of 90 × 244 μm2, 110 × 263 μm2, 220 × 230 μm2 and 200 × 300 μm2, respectively.
The second part is about the silicon photodiode. A maximum responsivity R=1.54×10-3(A/W) and a quantum efficiency =0.091 are obtained.
The third part is about the transimpedance amplifier employing current mirrors. Our simulation results can reach 74dBΩ gain and 735MHz bandwidth.
In the last, the fabrication of optical receiving circuit of the photogate type is described. It can store the charges generated by light illumination in the potential well temporarily. It can also transfer the electric charges to distinguish the signal from the background light. In the topics mentioned above, they have the same feature in the use of material, and it can be applied to realize the opto-electronic interconnect among integrated circuit chips.
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖表索引 Ⅶ
第一章 緒論 1
1.1 動機與目的 1
1.2 內容簡介 2
第二章 矽發光元件研究與分析 4
2.1 PN二極體簡介 4
2.1.1 開路時的pn接面二極體 4
2.1.2 順向偏壓時的pn接面二極體 6
2.1.3 逆向偏壓時的pn接面二極體 6
2.2 發光元件基本理論 7
2.2.1半導體材料之光學特性 7
2.2.2一般發光二極體的基本結構與特性 8
2.2.3 CMOS製程之pn發光元件 11
2.2.4 CMOS製程之金氧矽發光元件 12
2.3 矽發光元件設計 15
2.3.1 矽發光元件設計原理 15
2.3.2 電路設計架構 19
2.3.3 矽發光元件實際量測 21
2.4 討論 36
第三章 矽檢光元件佈局研究 40
3.1光感測器簡介 40
3.2光二極體 41
3.2.1 光電轉換與檢光器主要特性 41
3.2.2 常用之光二極 47
3.2.3 光二極體暗電流分析 48
3.3 矽檢光電路量測 49
3.3.1 矽檢光元件設計架構 49
3.3.2 光二極體等效電路與電流-電壓特性 51
3.3.3 光功率接收量測 55
3.4 討論 66
第四章 矽檢光放大電路設計 68
4.1 光二極體轉阻放大器分析與設計 68
4.1.1 光二極體放大電路分析 68
4.1.2 設計流程 71
4.1.3 電流鏡式轉阻抗放大積體電路實作架構 71
4.2 光閘極式接收放大電路分析與設計 76
4.2.1 晶片設計架構 76
4.2.2 晶片操作原理 77
4.3 晶片量測考量與改造建設 81
第五章 結論 83
5.1 研究重點討論 83
5.2 未來研究方向 85
參考文獻 86
作者簡介 89
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