高靈敏度量子效應光電探測器等效電路的建模方法
2023-06-13 13:48:56
專利名稱：高靈敏度量子效應光電探測器等效電路的建模方法
技術領域：
本發明涉及電子、電路設計技術領域，尤其是一種高靈敏度量子效應光電探測器等效電路的建模方法。
背景技術：
光電探測器擔當著將接受到的光信號轉換為電信號的角色。近年來隨著量子阱、量子點物理和材料技術的進展，量子效應光電探測器也應運而生。量子效應光電探測器在微光照射下，具有暗電流小、靈敏度大、動態範圍大、光電轉換效率高等優點，它廣泛應用於醫療、生物分子科學、環境監測等領域。讀出電路在光電探測系統中的主要功能是對探測器微弱信號進行預處理，並在信號處理級間提供一個接口，在對讀出電路的設計中需要一個能準確反映量子效應光電探測器特性的等效電路。目前，已經對一些典型的光電探測器件建立了一些等效電路模型，這些模型大都是基於光電探測器內部物理方程的基礎上得到的。由於光電探測器器件內部的物理特性參數過多以及在求解大量的物理特性方程時基於多種假設得到的近似表達式均會在很大程度上影響等效電路模型的精度，從而為其讀出電路的設計帶來困難。而且求解過程中，由於光電探測器的複雜結構及其使用的各種材料參數，也會使得建模過程中的程序編制複雜化。在專利號ZL 200910047116. X的《一種光探測器讀出電路的設計方法》中提出了較簡便實用的等效電路建模方法，該方法是根據器件的I-V和C-V等電特性直接擬合得出的，這種建模方法的局限性在於不能反映出不同輻照光功率下光電探測器的I-V和C-V特性，而光電探測器I-V，C-V特性會隨輻照光功率而變化。因此目前這種對光電探測器的等效電路的建模方法具有一定的局限性。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供的一種高靈敏度量子效應光電探測器的等效電路建模方法，採用「VerilogA」語言準確實現不同輻照功率和器件偏壓下的光電探測器特性參數，以特性參數建立與光電探測器可精確匹配的等效電路，建模程序簡單、效率高，大大減少了光電探測器內部的物理特性參數過多而影響模型精度以及複雜程序的編制，對應不同的光功率和器件偏壓參數的設置、修改和輸入非常方便，為讀出電路設計提供準確的反映不同器件結構特性的光電探測器模型。本發明的目的是這樣實現的一種高靈敏度量子效應光電探測器等效電路的建模方法，其特點是對量子點-量子阱光電探測器採用不同的輻照功率和器件偏壓下的電特性測試，應用「VerilogA」語言建立等效電路模型，然後利用電路模擬軟體進行驗證，為讀出電路的設計提供準確反映不同結構器件特性的光電探測器模型，具體建模方法包括下列步驟
(1)、光電探測器的特性參數測試和擬合
3a、基於光電測試平臺，作出光電探測器的電流一電壓特性(I一 V)特性曲線簇，並用「Origin」軟體採用分段擬合得到不同輻照光功率下的I與V之間的函數關係
L :./:,(〖'.內，由此在等效電路中可以用一個受控電流源來實現，使輸出電流為電壓的函
數；
b、基於光電測試平臺，作出光電探測器的電容一電壓(C一 V)特性曲線簇，以「Origin」軟體採用分段擬合得到不同輻照光功率下的C與V之間的函數關係C 二 P)，並採用「VerilogA」語言對等效電容進行描述，由此在等效電路中可以用一個「VerilogA」語言描述電流源形式的可變電容來實現，其電容大小為電壓的函數；
(2)、對等效電路中的電阻進行「VerilogA」語言描述
以電容反饋互阻放大器(CTIA)型讀出結構的參考電壓I二值為等效電路模型的輸出電
壓，由此得到等效電路模型的輸出阻抗Λ Krr / /jr. ρ),採用「VerilogA」語言對等效輸出電阻進行描述，由此在等效電路中可以用一個「VerilogA」語言描述的電流源形式的輸出阻抗來實現；
(3)、等效電路的建模
將上述採用「VerilogA」語言描述的電流源形式的可變電容與電流源形式的輸出阻抗並聯，構成能與光電探測器準確匹配的等效電路模型。(4 )、等效電路模型的仿真模擬
將上述建立的等效電路模型，利用電路模擬軟體「Cadence」的「Spectre」仿真器對等效電路模型進行仿真模擬，將仿真結果與實際測試的I-V和C-V特性曲線簇進行比對，以此驗證等效電路模型的正確性，為讀出電路的設計提供準確的光電探測器模型。本發明與現有技術相比具有以下優點
1、電路建模程序簡單、效率高，大大減少了光電探測器內部的物理特性參數過多而影響模型精度以及複雜程序的編制；
2、等效電路可以直接和讀出電路進行連接，方便光電探測器設計相匹配的讀出電路；
3、使用「VerilogA」語言建模，對應不同的光功率和器件偏壓參數的設置修改非常方便，不同光功率和器件偏壓的實現可通過在等效電路模型屬性中對應的預先設好的光功率和器件偏壓參數中直接輸入具體數據即可，修改靈活。
圖1為光電探測器的微光I-V特性曲線簇圖；圖2為光電探測器的微光C-V特性曲線簇圖3為「VerilogA」單元文件頁面圖；圖4為電流源形式的電阻示意圖；圖5為電流源形式的電阻屬性頁面圖；圖6為等效電路中的可變電容示意圖；圖7為簡化的光電探測器等效電路圖；圖8為等效電路模型的I-V特性仿真波形圖；圖9為等效電路模型的C-V特性仿真波形圖。
具體實施例方式下面以一種靈敏度較高的量子效應光電探測器在5nW以下的光功率輻照下等效電路建模的實施例，對本發明作進一步說明，其具體建模步驟如下
(1)、光電探測器的特性參數測試
基於光電測試平臺，採用Kelthley 4200-SCS半導體特性分析儀和波長為633nm的氦氖雷射器，測試量子點-量子阱光電探測器在無光照(暗電流)和輻照光功率分別是0. 2 nW、0.5 nff、1 nW、2 nW和5 nW的I-V和C-V電特性參數，並作出光電探測器電特性曲線簇。參閱附圖1，可以看出本微光測試系統的量子效應光電探測器低溫下(120K)噪聲很小(pA)，具有高的靈敏度和微光特性。參閱附圖2，可以看出光電探測器電容在反偏下變化較小。( 2 )、光電探測器特性曲線的擬合
根據測試做出光電探測器的I-V和C-V特性曲線簇，為了實現這種光電探測器高靈敏度的特點，實際器件應該工作在反偏情況下，利用「Origin」軟體擬合得到不同輻照光功率下的ι-ν和c-v之間的函數關係=++ /;,(!+'.P)和C ++++++其中V代表器件偏壓，P代
表輻照光功率，特性曲線的擬合具體步驟如下a、I-V特性曲線簇擬合
為了使擬合後的特性曲線能較好的和測試得到的I-V特性曲線相重合，採用「Origin」
軟體分段擬合得到不同輻照光功率下的I與V之間的函數關係L - Ι-β'.Ρ ,由此可以在
等效電路中可以用一個受控電流源來實現，使輸出電流為電壓的函數，I-V特性曲線簇擬合時將器件偏壓"3V至0之間分為兩段，分別是[-1. 5，0]和[-3，-1. 5]。當器件偏壓Γ €〖3. I巧時，光電探測器在無光照(暗電流)和輻照光功率分別是0.2 nW、0. 5 nff、1 nff, 2 nW和5 nW的/,: ^ /:.(Γ.Ρ)函數關係如下式(1)表示
權利要求
1. 一種高靈敏度量子效應光電探測器等效電路的建模方法，其特徵在於對量子點-量子阱光電探測器採用不同的輻照功率和器件偏壓下的電特性測試，應用「VerilogA」語言建立等效電路模型，然後利用電路模擬軟體進行驗證，為讀出電路的設計提供準確的反映不同器件結構特性的光電探測器模型，具體方法包括下列步驟(1)、光電探測器的特性參數測試和擬合a、基於光電測試平臺，作出光電探測器的電流一電壓特性(I一 V)特性曲線簇，並用「Origin」軟體採用分段擬合得到不同輻照光功率下的I與V之間的函數關係L :./:,(〖'.內，由此在等效電路中可以用一個受控電流源來實現，使輸出電流為電壓的函數；b、基於光電測試平臺，作出光電探測器的電容一電壓(C一 V)特性曲線簇，以「Origin」軟體採用分段擬合得到不同輻照光功率下的C與V之間的函數關係C 二 P)，並採用「VerilogA」語言對等效電容進行描述，由此在等效電路中可以用一個「VerilogA」語言描述電流源形式的可變電容來實現，其電容大小為電壓的函數；(2)、對等效電路中的電阻進行「VerilogA」語言描述以電容反饋互阻放大器(CTIA)型讀出結構的參考電壓I:值為等效電路模型的輸出電壓，由此得到等效電路模型的輸出阻抗Λ Krr / /jr. ρ),並採用「VerilogA」語言對等效輸出電阻進行描述，由此在等效電路中可以用一個「VerilogA」語言描述的電流源形式的輸出阻抗來實現；(3)、等效電路的建模將上述採用「VerilogA」語言描述的電流源形式的可變電容與電流源形式的輸出阻抗並聯，構成能與光電探測器準確匹配的等效電路模型；(4 )、等效電路模型的仿真模擬將上述建立的等效電路模型，利用電路模擬軟體「Cadence」的「Spectre」仿真器對等效電路模型進行仿真模擬，將仿真結果與實際測試的I-V和C-V特性曲線簇進行比對，以此驗證等效電路模型的正確性，為讀出電路的設計提供準確的光電探測器模型。
全文摘要
本發明公開了一種高靈敏度量子效應光電探測器等效電路的建模方法，其特點是對量子點-量子阱光電探測器採用不同的輻照功率和器件偏壓下的電特性測試，應用「VerilogA」語言建立等效電路模型，然後利用電路模擬軟體進行驗證，為讀出電路的設計提供準確反映不同結構器件特性的光電探測器模型。本發明與現有技術相比具有建模程序簡單、修改靈活、效率高，對應的不同的光功率和器件偏壓參數的設置修改方便，不同光功率和器件偏壓的實現可通過在等效電路模型屬性中對應的預先設好的光功率和器件偏壓參數中直接輸入具體數據即可。
文檔編號G06F17/50GK102564584SQ20111037970
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者宋東東, 朱自強, 王明甲, 郭方敏 申請人:華東師範大學