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研究生: 陳柏安
Po-an Chen
論文名稱: 矽基與矽鍺基發光、信號驅動以及檢光積體電路之設計與實現
The Design and Implementation of Si-based and Si-Ge based Light Emitting, Signal Driving, and Light Receiving Integrated Circuits
指導教授: 劉政光
Cheng-Kuang Liu
徐世祥
Shih-hsiang Hsu
口試委員: 周肇基
Jau-ji Jou
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 發光二極體驅動電路矽鍺基BiCMOS積體電路矽基CMOS積體電路矽光發射光偵測器
外文關鍵詞: LED driver, SiGe BiCMOS IC, Si CMOS IC, Si light-emission, photodetector
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  • 本論文主要探討光通訊發射與接收端的設計與實現,其中包含發光與檢光晶片、以及LED驅動電路。
    第一部份利用CMOS製程設計檢光與發光晶片,使用製程為台積電(TSMC) 0.18μm CMOS 1P6M,晶片設計重點為以CMOS製程中PMOS做為檢光與發光二極體,利用結構內的PN接面達到檢光發光效果,並與內建元件之二極體比較特性。量測結果顯示該自製所有佈局之二極體模組比內建二極體模組擁有更好的檢光與發光特性,主因為自製所有佈局增加p-n接面的面積,檢光響應度在650nm時,內建二極體為0.162A/W,自製所有佈局二極體為0.799A/W;自製所有佈局之二極體的矽發光功率約為內建二極體的4倍。
    第二部份利用BiCMOS製程實現檢光與發光晶片,使用製程為台積電(TSMC) 0.35μm SiGe BiCMOS,我們探討了光電晶體的電流增益特性,以及佈局增加光偵測晶片的使用效率,且以用同樣的元件當作發光元件使用。量測結果顯示該光檢測晶片可以操作在低於1V的供應電壓,響應度在650nm時為1.333A/W,850nm時為0.639A/W;同一晶片之發光特性與CMOS內建之矽發光特性相接近。
    第三部份為可調LED驅動電路之設計與實現,使用製程為台積電(TSMC) 0.18μm CMOS 1P6M,可應用於順偏或逆偏操作之LED或雷射,將輸入電壓轉換成輸出電流,並可以調變輸出電流之直流準位以及交流振幅。


    This thesis presents the design and realization of optical emitting and optical receiving in integrated Circuits for optical communication system, including light-emitting chip, photo detector chip and driver circuit for light emitting diode.

    In the first part, we use the TSMC 0.18μm CMOS 1P6M process to realize the light-emitting and photo detector circuits. We use the PMOS structure in the CMOS process to design the photodiode and silicon light emitting device. The built-in P-N junctions and our diode structure are used to design the photodiode and silicon light emitting device. Measurement results show that our diode structure is better than the built-in diode, because our diode structure has larger P-N junction areas, while responsivities are 0.162A/W for the built-in diode and 0.799A/W for our diode structure at 650nm. As for the light-emitting characteristics employing the same chip, the emitted light power of our diode structure is four times that of the built-in diode.

    Secondly, we use the TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS process to realize the light-emitting and photo detector circuits. Then, we discuss the current gain property, the layout of phototransistor, and the light-emitting characteristics using the same chips. Our results show that the phototransistor can be operated at a power-supply voltage lower than 1V, while its responsivities are 1.333A/W at 650nm±14nm and 0.639A/W at 850nm±14nm for the photodetector. The light-emitting characteristics are close to that of the silicon built-in diode.
    Thirdly, the driver circuit for tunable light emitting devices is realized using the TSMC 0.18μm CMOS 1P6M process. It can be used for silicon-based light emitting devices, light emitting diode, or lasers not only in a forward bias, but also in a reverse bias. It can convert the input voltage to the output current. Furthermore, the dc and ac components of the output crrent can be adjusted.

    論文摘要 I Abstract III 致謝 IV 目錄 V 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 內容簡介 3 第二章 光通訊接收與發射基本概念簡介 4 2.1 光通訊前端系統基本架構 4 2.2 光通訊發射系統架構簡介 5 2.2.1光源 5 2.2.2光源驅動電路 8 2.3 光通訊接收系統基本架構簡介 9 2.3.1光檢測器 9 2.3.2轉阻放大器 11 2.4 光互連系統簡介 13 2.5 設計流程及基本概念 14 第三章 矽基T18 CMOS製程光晶片設計與實現 16 3.1 光檢測器介紹 16 3.1.1光檢測器原理 16 3.1.2光電轉換基本原理 19 3.1.3光二極體等效電路之基本特性 21 3.1.4半導體材料發光特性 25 3.1.5復合機制 26 3.1.6光二極體溫度特性與暗電流分析 28 3.2 矽基CMOS製程光晶片設計與實現 29 3.2.1內鍵二極體模組設計 30 3.2.2內鍵二極體模組量測 32 3.2.3自製Layout二極體模組設計 37 3.2.4自製Layout二極體模組量測 42 3.3 比較與結果討論 46 第四章 矽鍺基SiGe35 BiCMOS製程光晶片設計與實現 48 4.1 矽鍺特性簡介 48 4.2 光電晶體簡介 50 4.3 光晶片的設計與實現 54 4.3.1光電晶體模組設計 54 4.3.2光電晶體模組晶片基本特性量測 57 4.3.3光電晶體模組晶片檢光特性量測 62 4.3.4光電晶體模組晶片發光特性量測 65 4.4 結果討論 67 第五章 矽基T18電流可調之LED驅動電路設計與實現 68 5.1 LED驅動電路簡介 68 5.2 LED驅動電路設計與量測 71 5.2.1電路設計 71 5.2.2電路量測 74 5.3結果討論 79 第六章 結論 80 6.1 結論 80 6.2 未來發展與展望 81 參考文獻 83 作者簡介 86

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    無法下載圖示 全文公開日期 2017/07/26 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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