InP基HBT频率性能分析、参数提取及光接收前端的电路设计

摘要

本论文的工作是围绕任晓敏教授承担的教育部高等学校博士学科点专项科研基金“基于RCE光探测器和HBT的单片集成(OEIC)高速光接收模块”(项目编号：20020013010)、任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号：2003CB314900)等项目展开的。 当前通信光电子器件正处于由分立转向集成的重大变革时期。由于光电子集成器件较之分立封装的光电组件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、性能优越和可靠性高等诸多优点，因此成为全世界光通信和光电子领域科学家关注的前沿研究热点和重大基础课题。 InP基异质结双极晶体管(HBT)在光纤通信等领域具有极其广阔的应用前景，并且可以与光电探测器等光器件单片集成，因而深入系统地研究InP基HBT器件具有极其重要的意义。 本论文的工作主要是围绕着InP基HBT器件的物理结构模型，频率性能分析，电路参数提取，实验制备以及其与PIN的光接收前端集成而展开的，并取得了以下研究成果： 1．从器件的物理特性出发，基于HBT小信号等效电路模型，推导出各个模型参量的表达式，分析了各个模型参量的影响因素，分析了InP基HBT频率性能的影响因素，得出了结构参数，偏置电压以及掺杂浓度对频率性能的影响，所得结论对于InP基HBT的设计制作和性能优化具有一定的指导作用。 2．基于HBT的小信号π模型以及工业模型(GP模型)等效电路，分别完成了两种模型的HBT参数提取，利用提取的参数进行电路模型的仿真，通过对比仿真结果与测试结果，发现吻合的较好，说明了建立的模型以及提取的参数较为准确，为前端电路的集成设计以及大规模光接收机的系统设计奠定了很好的基础。 3．利用建立的HBT电路模型以及已有的PIN探测器模型设计了PIN+HBT光接收机前端跨阻放大电路，使用电路仿真软件对前端电路进行了初步的仿真分析，为单片集成光接收机前端的设计与制备提供支持。 4．采用2μm工艺，制备了单管的InP基HBT，其直流特性和高频特性的测试结果为，开启电压0.43V，击穿电压大于3V，电流增益截止频率fT为28GHz。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 OEIC的概念，发展及应用

1.2单片OEIC 光接收器件的研究与发展现状

1.3 InP基PIN-PD+HBT集成光接收机前端

1.4论文的结构安排

参考文献

第二章HBT器件概述

2.1 HBT发展概况

2.2 HBT的原理机制及优越性

2.2.1 BJT的工作原理

2.2.2 HBT的工作原理

2.2.3 HBT的电流组成原理

2.2.4 HBT与场效应晶体管(FET)的比较

2.2.5 HBT的优越性总结

2.3 HBT器件的性能参数

2.3.1截止频率fT和最高振荡频率fmax

2.3.2 电流增益β

2.3.3 开启电压

2.3.4击穿电压

2.3.5击集电极-发射极补偿电压

2.4在HBT器件中所运用的材料体系及材料的主要生长技术

2.4.1 在HBT器件中所运用的材料体系

2.4.2 HBT材料的主要生长技术

2.5制备HBT器件常用工艺

2.5.1 自对准工艺

2.5.2空气桥工艺

2.5.3离子注入工艺

2.5.4聚酰亚胺平坦化工艺

2.5.5表面钝化处理工艺

参考文献

第三章HBT的器件模型及频率性能分析

3.1半导体材料物理基础

3.2 InGaAs与InP材料的迁移率随掺杂浓度的变化关系

3.3 HBT理论模型中相关物理参量的计算

3.4 HBT的频率性能分析

3.4.1 结构参量对HBT频率性能的影响

3.4.2偏置电压对HBT频率性能的影响

3.4.3掺杂浓度对HBT频率性能的影响

3.5 HBT优化设计

参考文献

第四章HBT建模及参数提取

4.1 HBT小信号模型参数提取

4.1.1 正偏反偏法介绍

4.1.2在正偏状态下提取寄生电感、电阻

4.1.3在反偏状态下提取寄生电容

4.1.4去除寄生参数，提取本征参数

4.1.5参数优化

4.2 HBT工业模型参数提取

4.2.1 GP模型结构

4.2.2 SPICE参数提取

4.3本章小结

参考文献

第五章PIN+HBT光接收前端电路设计

5.1 PIN等效电路模型

5.2 HBT用于放大电路的三种组态

5.3前端电路的设计

5.4本章小结

参考文献

第六章InP基HBT的制备与测试

6.1 InP基HBT外延片结构

6.2 InP基HBT的制备

6.2.1 版图设计

6.2.2 InP基HBT的实验制备工艺流程

6.3 InP基HBT的实验测试

6.3.1 测试设备

6.3.2测试结果

6.4本章小结

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文