摘要 摘要 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)在信息社會(huì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，p d i c ( p h o t o d e t e c t o r i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)光學(xué)頭的關(guān)鍵元件之一。與傳統(tǒng)混合集成的 p d i c 相比，單片光電集成的p d i c 具有低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為硅基 光電集成( o e i c ) 研究的一個(gè)熱點(diǎn)。雖然全球絕大部分光學(xué)頭生產(chǎn)廠(chǎng)商都在中 國(guó)大陸，但p d i c 芯片都依靠進(jìn)口。相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)于該技術(shù)的研究還處在起 步階段，因此研究單片光電集成的p d i c 對(duì)于打破國(guó)外壟斷、提高我國(guó)d v d 光 學(xué)頭產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平及核心競(jìng)爭(zhēng)力具有一定的積極意義。 商業(yè)化的b c d ( b i p o l a rc m o sd m o s ) 工藝比標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝多了一個(gè)n 型埋層，n 型外延層中雜質(zhì)摻雜濃度較低，利用這一特點(diǎn)可以構(gòu)建f + n 型外延 層n 阱埋層( 類(lèi)似p i n ) 結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器。因此，本文采用低成本的0 5 1 s mb c d 工藝研制了用于d v d 機(jī)的單片集成p d i c ，主要的工作內(nèi)容如下： 1 從低成本角度出發(fā)，利用b c d 工藝埋層的b n + 特點(diǎn)設(shè)計(jì)了與工藝完全兼 容的適合6 5 0 n m 波長(zhǎng)的p + n e p i b n + 光電探測(cè)器，并給出一個(gè)完整的等效電路 模型。 2 設(shè)計(jì)了基于互補(bǔ)式自偏置差分放大器( c s d a ) 結(jié)構(gòu)的三級(jí)負(fù)反饋跨阻放 大器。為了提高負(fù)載能力設(shè)計(jì)了一個(gè)兩級(jí)運(yùn)放作為單位增益緩沖器。采用s p e c 瞬 軟件對(duì)負(fù)反饋跨阻放大器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。 3 為了抑制電源擾動(dòng)對(duì)跨阻放大器的性能影響，設(shè)計(jì)了一種低壓線(xiàn)性穩(wěn)壓 器( l d o ) 。仿真結(jié)果表明其輸出電壓可以達(dá)4 3 6 v ，有較好的電源抑制比。 4 采用c a d e n c e 軟件完成單片集成p d i c 的版圖設(shè)計(jì)，并在無(wú)錫華潤(rùn)上華流片 加工。版圖面積約9 8 1 1 9 8 2 i _ t m 2 。 5 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試條件對(duì)流片回來(lái)芯片進(jìn)行了兩種形式的封裝，并做了具 體的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：2 5 v 反向偏壓下，p i n 探測(cè)器結(jié)電容約為0 3 5 6p f ，6 5 0 r i m 波長(zhǎng)的響應(yīng)度約0 18 5 a w ，p d i c 中a - - 一d 部分的帶寬6 5 m h z 左右，響應(yīng)度為 2 1 8 2m w i _ t w - 2 8 0 8 m v u v , w ；e 、f 部分的響應(yīng)度為4 2 2 9 m v p w 4 7 3 1m v u w ；輸出失調(diào)電壓均小于2 0m v ；功耗約1 3 0 r o w 。所測(cè)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 本文在國(guó)內(nèi)條件下采用低成本的標(biāo)準(zhǔn)b c d 工藝自主完成了d v d 光學(xué)頭中 摘要 p d i c 的光電單片集成，研制過(guò)程中克服了s i 基光電集成中的難題： 1 成功解決s i 基光電集成的難點(diǎn)一利用標(biāo)準(zhǔn)b c d 工藝研制出高性能( 高 探測(cè)靈敏度，高傳輸速率) 的6 5 0 n m 的硅基光探測(cè)器。 2 自主建立了一種新的包含光電流、暗電流、結(jié)電容、并聯(lián)和串聯(lián)電阻、 以及噪聲特性在內(nèi)的光電探測(cè)器完整的等效電路模型，實(shí)現(xiàn)p d 與負(fù)反饋跨阻放 大器( t i a ，t r a n i m p e d a n c ea m p l i f i e r ) 的協(xié)同設(shè)計(jì)。 3 在電路設(shè)計(jì)中，充分考慮并解決了縱向結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器p d 和橫向結(jié)構(gòu) 電放大器t i a 之間的結(jié)構(gòu)、工藝兼容性問(wèn)題；解決在光照下電子電路避免光信 號(hào)干擾的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹蓀 d i c ；p i n 光電探測(cè)器；跨阻放大器。 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a ld a t as t o r a g et e c h n o l o g i e sa r ep l a y i n ga m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n m o d e r ni n f o r m a t i o ns o c i e t y p d i c ( p h o t o d e t e c t o ri n t e g r a t e dc i r c u i oi so n eo f e l e m e n t si n o p t i c a lp i c k u pu n i t ( o p u ) c o m p a r e dw i t hh y b r i di n t e g r a t i o n , t h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fp d i ch a sa d v a n t a g e so fl o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e ， w h i c hb e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o to fs i l i c o n - b a s e do e i c m o s to fo p uf a c t o r i e sa r e i nm a i n l a n dc h i n a , b u tt h e i rp d i cc h i p sa l ld e p e n do ni m p o r t a t i o n i np r e s e n t c o m p a r e d 塒ma b r o a dt h es d u d i e so fp d i c ，t h o s ea r es t i l li ns t a r t u pp e r i o d si no u r c o n t u r y t h er e s e a r c ho fm o n o l i t h i cp d i cw i l lb r e a kt h em o n o p o l i z a t i o no fo v e r s e a c o m p a n i e si nt h i sa r e a , a n di m p r o v e t h eo v e r a l lt e c h n i c a ll e v e la n dc o m p e t i t i v ee n e r g y o fc h i n e s ep i c k u pi n d u s t r i e s t h ec o m m e r c i a l i z e db c d ( b i p o l a rc m o sd m o s ) t e c h n o l o g ye x i t san - t y p e b u r i e dl a y e r , b yw h i c hp + m - e p i nb u r i e dl a y e rs t r u c t u r eo fd e t e c t o r sw i t has i m i l a r c h a r a c t e r i s t i co fp i np h o t o d e t e c t o rc a nb er e a l i z e d t h ed o p e dc o n c e n t r a t i o no f n - t y p ee p i t a x i a ll a y e ri sl o w s ot h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sam o n o l i t h i cp d i cf o r d v dm a c h i n eb yl o wc o s tb c dt e c h n o l o g y s t u d i e so ft h i sp a p e ra r el i s t e da s f o l l o w s ： 1 i no r d e rt og e tl o wc o s tp d i c ，b a s e do nb n + l a y e ro fb c dt e c h n o l o g yt h e s t r u c t u r eo fp + n - e p i b n + f o r6 5 0 r i mi s d e s i g n e d aw h o l ec i r c u i tm o d e lo f p + n e p i b n + p h o t o d e t e c t o ri se s t a b l i s h e d 2 b a s e do nc s d a t h r e e s t a g en e g a t i v ef e e d b a c kt r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ( t 認(rèn)) i sd e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v el o a dc a p a c i t y , ab u f f e ro fu n i t yg a i na m p l i f i e r c o m p o s e do f at w o - s t a g ea m p l i f i e ri sd e s i g n e d 3 i no r d e rt os u p p r e s st h ep o w e rs o u r c ep e r t u r b a t i o nt oa f f e c tt r a n s i m p e d a n c e a m p l i f i e r sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e ，al o wd r o p o u tl i n e a rv o l t a g er e g u l a t o r ( l d o ) i s d e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti t so u t p u tv o l t a g er e a c h e s4 3 6 va n di t sp s r r i s h i g h 4 w i t hc a d e n c ev i r t u o s ol a y o u te d i t o r , t h em o n o l i t h i cp d i cl a y o u ti s c o m p l e t e d ，w h i c ha r e ai sa b o u t9 81x19 8 2p m i i ! a b s t fa c t 5 b s e do nt h ec o n d i t i o no fo u ro w n l a b o r a t o r y , t w ok i n d so fp a c k a g i n g s t r u c t u r e a r ea d o p t e d a n dt h et e s t i n go fp d i ci sa c c o m p l i s h e d t e s t i n gr e s u l ts h o wt h a ta t 2 5 vr e v e r s eb i a st h ec a p a c i t a n c eo fp + n e p i b n + p h o t o d e t e c t o ri sa b o u t0 3 5 6p f ， a n di t sr e s p o n s i v i t yo f6 5 0 n mi sa b o u t0 18 5 a w t h es e n s i t i v i t yo fh i 曲b a n d w i d t h p a r ti sf r o m2 1 8 2t o2 8 0 8 m v i t w ，a n dt h a to f h i g l l g a i np a r ti sf r o m4 2 2 9t o4 7 3 1 m w i t w t h e 一3 d bb a n d w i d t ho fh i 曲一b a n d w i d t hp a r t i sa b o u t6 5 m h z t h e o u t p u t - o f f s e tv o l t a g ei sl e s s t h e n2 0 m v t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni sa b o u t13 0 m w m e a s u r e dr e s u l t sm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s am o n o l i t h i cp d i ci sd e s i g n e db a s e do nl o w c o s ts t a n d a r db c dt e c h n o l o g y s o m ed i f f i c u l t i e so fo e i cd e s i g na r es o l v e d 1 o n eo fm o s td i f f i c u l tp o i n ta b o u ts i - s u b s t r a t eo e i ci so v e r c o m e d b a s e do n b c d t e c h n o l o g y , ah i g h - p e f o r m a n c e6 5 0 r i ms i l i c o n - b a s e dp h o t o d i o d ei sr e a l i z e d 2 t h ef u l ls p i c ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fp h o t o d e t e c t o ri se s t a b l i s h e d ，w h i c h i n c l u d ep h o t o c u r r e n t , d a r kc u r r e n t ，j u n c t i o nc a p a c i t a n c e ，r e s i s t a n c ea n dn o i s e t h e c o l l a - b o r a t i v ed e s i g nb e t w e e np da n dt i ai sr e a l i z e d 3 w h e ni cd e s i g n e d , w ec o n s i d e r e df u l l ya n ds o v l e dt h ep o b l o e m ，w h i c h i n v o l v e st h es t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nv e r t i c a ls t n l c t u 佗 p h o t o d e t e c t o ra n dh o r i z o n t a ls t r u c t u r et i a ，a n dt h es i g n a li n t e r f e r e n c ec a u s e db y i l l u m i n a t i o n k e y w o r d s ：m o n o l i t h i cp d i c ；p i np h o t o d e t e c t o r ；t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r i v 第章緒論 第一章緒論 隨著社會(huì)信息化的發(fā)展，光盤(pán)存儲(chǔ)以其容量大、壽命長(zhǎng)、成本低、復(fù)制速度快 等顯著優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)信息存儲(chǔ)的重要手段之一，而d v d ( d i g i t a lv i d e o d i s c ) 更是新一代數(shù)字視聽(tīng)技術(shù)和數(shù)字化信息存儲(chǔ)設(shè)備的典型代表和潮流。它集 計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)記錄技術(shù)和影視技術(shù)等為一體，其目的是滿(mǎn)足人們對(duì)大存儲(chǔ)容 量、高性能的存儲(chǔ)媒體的需求。p d i c ( p h o t o d i o d ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是一種專(zhuān)門(mén) 用于光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)光學(xué)讀寫(xiě)頭中的o e i c ( o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i 0 ，是光 學(xué)頭的關(guān)鍵部件，信息檢測(cè)都是通過(guò)p d i c 來(lái)完成的。因此其品質(zhì)優(yōu)劣對(duì)光盤(pán)機(jī) 的技術(shù)性能具有決定性的影響。 1 1d v d 光學(xué)頭技術(shù)概述 1 9 8 2 年p h i l i p s 公司發(fā)表紅皮書(shū)確定了c d 光盤(pán)的外觀(guān)、尺寸、形狀、信號(hào) 的記錄方式及相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)格，從此光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)得到了飛速發(fā)展【1 1 d v d 是 為滿(mǎn)足當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)大量信息的高密度存儲(chǔ)要求，給人們以高品質(zhì)視聽(tīng)享受而產(chǎn) 生的一種新技術(shù)產(chǎn)品。1 9 9 4 年1 2 月1 6 日，飛利浦公司和索尼公司公布了采用 m p e g - 2 壓縮標(biāo)準(zhǔn)的單面雙層1 2 c m 高密度光盤(pán)h d d c ( h i g hd e n s i t yc o m p a c t d i s c ) 的規(guī)范，使用6 3 5 n m 的激光器和數(shù)值孔徑0 5 2 的激光頭。單面存儲(chǔ)量提高 到3 7 g b ，單面雙層結(jié)構(gòu)總?cè)萘窟_(dá)7 4 g b ，這也是第一次提出d v d 技術(shù)規(guī)格【2 1 1 9 9 5 年1 月2 4 日，東芝、松下、先鋒、日立、湯姆遜、美國(guó)音樂(lè)公司和米高梅 影片公司等八大公司在洛杉磯共同宣布另一種具有競(jìng)爭(zhēng)性超密度數(shù)字視盤(pán) s d d v d ( s u p e rd n e s i y td i h g a lv i d o cd i s c ) 的規(guī)格使用6 5 0 r i m 的激光器和數(shù)值孔 徑o 6 的激光頭，采用的是雙層雙面的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，將兩張厚度為0 6 m m 的信息盤(pán) 片背靠背的粘接在一起，單面的容量為5 g b ，雙面的容量達(dá)到1 0 g b3 1 。 雖然紅光d v d 在存儲(chǔ)的密度及讀寫(xiě)速度方面和c d 相比，己經(jīng)有了長(zhǎng)足的 進(jìn)步，然而業(yè)界依然沒(méi)有放棄努力早已把目光投向藍(lán)光技術(shù)。2 0 0 2 年2 月1 9 以 索尼、飛利浦和松下為核心聯(lián)合日立、先鋒、夏普、韓國(guó)三星、l g 及法國(guó)湯姆 b c d 工藝下d v i ) 光學(xué)頭中單片集成p d i c 的研制 遜共同發(fā)布了0 9 版的b l u - r a y d d i s k ( b d ) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著藍(lán)光光盤(pán)的誕生。 藍(lán)光d v d 也是采用m p e g - 2 壓縮標(biāo)準(zhǔn)，單層藍(lán)光d v d 盤(pán)片的存儲(chǔ)容量可達(dá) 2 7 g b f “】。 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)，是利用精細(xì)聚焦的激光束從模壓而成的盤(pán)片上讀取信息或進(jìn) 一步利用光對(duì)記錄介質(zhì)的物理或化學(xué)效應(yīng)去改變介質(zhì)的某些光學(xué)性能，如對(duì)光的 反射、吸收或相移等，從而實(shí)現(xiàn)二值化數(shù)據(jù)的寫(xiě)入、讀取與擦除。而光盤(pán)信息的 讀出和寫(xiě)入都要通過(guò)光學(xué)頭來(lái)完成，因此光學(xué)頭是d v d 光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵部分。 光學(xué)頭種類(lèi)繁多，讀取不同的格式的光盤(pán)的光學(xué)頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各不相同，不同公 司生產(chǎn)的光學(xué)頭也都有自己公司獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。但主要還是由d v d 激光二極管、 光柵、光束分離元件、光電檢測(cè)集成電路( p d i c ) 、準(zhǔn)直透鏡及物鏡等組成，如 圖1 1 所示。以下，我們對(duì)光學(xué)頭的各組成元件做簡(jiǎn)單的介紹【7 l 【引。 圖1 - 1 光學(xué)頭示意圖 ( 1 ) 激光二極管( l d ) 。激光二極管是光學(xué)頭的光源，c d 光學(xué)頭用激光二極 管的激光波長(zhǎng)為7 8 0 n m ，d v d 的為6 5 0 n m 或6 3 5 n m 而藍(lán)光d v d 為4 0 5 r i m 。激光光 斑氳徑必須小于碟片的信跡之間的距離，焦深范圍必須小于信跡間距的2 倍。否 則，即使尋跡伺服控制再好，光斑始終落在信息中心，由于光斑的邊緣離相鄰軌 跡太近，就會(huì)出現(xiàn)幾幀同時(shí)讀取的現(xiàn)象，使畫(huà)面周?chē)杏皦默F(xiàn)象。 ( 2 ) 準(zhǔn)直透鏡。準(zhǔn)直透鏡是一個(gè)平凸透鏡，作用是對(duì)激光束的發(fā)散角進(jìn)行 整形，使發(fā)散光束通過(guò)透鏡后可變?yōu)槠叫泄馐龠M(jìn)入物鏡。 2 第一章緒論 ( 3 ) 偏振分光棱鏡和1 4 波長(zhǎng)。偏振分光棱鏡和1 4 波長(zhǎng)組合成光束分離元 件，所起的作用是避免射出光束與返回光束因共用光路而發(fā)生相互干涉并實(shí)現(xiàn)分 離。 ( 4 ) 物鏡。物鏡是一種聚焦透鏡，作用是把平行光束會(huì)聚于碟片的信息面 上或是收集從光盤(pán)信號(hào)面上反射回來(lái)的光脈沖信號(hào)送入光電檢測(cè)器。 ( 5 ) 光電檢測(cè)電路( p d i c ) 。光電檢測(cè)電路基本作用是把從光盤(pán)信息層反射 的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是光頭中的關(guān)鍵部件之一。以下章節(jié)將重點(diǎn)講述這部分 內(nèi)容。 1 2p d i c 的現(xiàn)狀 隨著信息社會(huì)的到來(lái)，作為尖端技術(shù)的微電子學(xué)領(lǐng)域，為了加快技術(shù)進(jìn)步， 不斷的要求更多、更快、耗能更少的處理信息。在過(guò)去的發(fā)展中，電子器件逐漸 小型化，處理速度高速化，而消耗電能越來(lái)越少。但是，隨著技術(shù)要求日益提高， 信息處理硬件的微細(xì)加工的極限開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)，束縛了技術(shù)的日益發(fā)展。為了打 破這種技術(shù)屏障，光電子技術(shù)成為首選。光電子技術(shù)將信息加在光波上，不斷的 開(kāi)發(fā)光電信息處理技術(shù)【們。 近年來(lái)出現(xiàn)的將光電器件與電子器件集成化的光電集成電路( o e i c ) ，有 效地縮小了器件的體積，大大減小了寄生效應(yīng)的影響，提高了器件的性能和可靠 性，并且大幅度地降低了批量生產(chǎn)的成本。光電集成的方式主要有兩種即：混合 集成和單片集成?；旌霞墒菍⒏鞣N光器件、電器件分別制在不同襯底上， 然后通過(guò)焊接或其它連接方式組裝起來(lái)，形成允許不同技術(shù)組合、不同襯底的光 電混合集成模塊。單片集成是將光電器件與微電子器件集成在同一片襯底上。相 對(duì)于混合集成，單片集成具有以下優(yōu)點(diǎn)【l o 】： ( 1 ) 器件問(wèn)的互連線(xiàn)減小到最少，寄生參數(shù)得以減小，從而提高了器件的工 作頻率。 ( 2 ) 由于減少了封裝工序，易于大批量生產(chǎn)，大大降低器件生產(chǎn)成本和封裝 成本。 ( 3 ) 單片集成o e i c 還具有抗震動(dòng)、整體性能好等優(yōu)點(diǎn)。 3 b c d 工藝下i ) v d 光學(xué)頭中單片集成p d i c 的研制 而p d i c 是一種專(zhuān)門(mén)用于光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)光學(xué)讀寫(xiě)頭中的o e i c ，是硅基o e i c 研究的一個(gè)熱點(diǎn)。單片集成硅基p d i c 占據(jù)了光盤(pán)機(jī)光學(xué)讀取頭用光信號(hào)拾取部 分的主流地位。 2 0 0 1 年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所梁恩主等人采用0 3 5 1 u n c m o s t - 藝研制了用于 d v d n c d 的混合集成p d i c ，由六象限探測(cè)器陣列與電流?？缱枨爸梅糯笃鞑捎?鍵合技術(shù)組合而成，探測(cè)器的響應(yīng)度可達(dá)0 3 7 0 a w , 暗電流可達(dá)0 1 6 n a t 1 1 2 】。近 年來(lái)，北京大學(xué)深圳研究生院集成微系統(tǒng)科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也有開(kāi)展p d i c 的研究n 3 x 1 ，但未見(jiàn)有測(cè)試結(jié)果報(bào)道。杭州士蘭光電技術(shù)有限公司于2 0 0 5 年8 月 推出了p d i c 產(chǎn)品s m 5 2 5 t 1 5 l ，該產(chǎn)品主要用于c d 光盤(pán)機(jī)。0 9 年下半年又用該公司 自己開(kāi)發(fā)的b i c m o s 工藝成功推出一款用于d v d 的高性能p d i c 芯片s m 6 2 6 t 1 6 1 ， 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)p d i c 的空白，如圖1 - 2 所示，但自定制工藝成本較高。2 0 0 6 年本實(shí)驗(yàn) 室卞劍濤博士采用低成本的c m o s t 藝成功研制了用于c d 光盤(pán)機(jī)的單片集成 p d i c ，由六象限的n * 奎l l p s u b 結(jié)構(gòu)探測(cè)器陣列與跨阻前置放大器組合而成 【1 7 】。然而相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)于p d i c 的研究落后太多。 圖1 2s m 6 2 6p d i c 國(guó)外的一些大型公司很早就對(duì)p d i c 進(jìn)行了大量的研究，而且技術(shù)都已經(jīng)很成 熟了，這些大公司包括松下、夏普、東芝、索尼、三星等。早期的產(chǎn)品主要采用 雙極型工藝【m 捌，而隨著工藝技術(shù)發(fā)展p d i c 一般采用c m o s 、b i c m o s - et 2 1 叫l(wèi) 。 根據(jù)各光學(xué)頭制造廠(chǎng)家在不同的光路設(shè)計(jì)中采用的光學(xué)組件不同，光電探測(cè)器的 幾何圖形也不一致，有四象限、六象限、八象限等等，但探測(cè)器的主流結(jié)構(gòu)是p i n r 】 黟泌 第一章緒論 結(jié)構(gòu)。而前置放大器主要利用負(fù)反饋跨阻型放大器( t r a n i m p e d a n c ea m p l i f i e r ， t i a ) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。h z i m m e r m a n n 等人采用自定制c m o s 或b i c m o s 技術(shù)研制的 p d i c ，就光電探測(cè)器與前置放大電路部分提出了多種方案( 掙2 7 1 。 表1 1 為國(guó)外s i 基p d i c 光接收芯片的研究的簡(jiǎn)單對(duì)照。從表1 1 可看出相比國(guó) 外國(guó)內(nèi)p d i c 的研究落后很多還處于起步階段。 表1 1 國(guó)內(nèi)外p d i c 的簡(jiǎn)單對(duì)照 參考文獻(xiàn)發(fā)表適用 工藝主要指標(biāo) 產(chǎn)品型號(hào)時(shí)間類(lèi)型 2 0 0 9 6 p 烈，功耗1 1 0 m w , 6 5 0 n m 響應(yīng)度 s m 6 2 6 a 5 】 b i c m o sd v d 年 2 8 5 m v g r n ，寬為8 0 m h z 國(guó) 2 0 0 6 6 n + n w e l l p s u b ，功耗約5 0 m w ，7 8 0b i n 內(nèi) 【1 7 c m o sc d 年響應(yīng)度31 1 7 q 2 4 7 m v u w 2 0 0 5 6 p 礬，功耗1 0 0 m w , 7 8 0n l l l 響應(yīng)度3 6m v s m 5 2 5 a 1 6 】b i p o l a r c d 年 l u n ，帶寬為8 m h z 2 1 6 p 烈，功耗約2 0 0 r o w ，6 5 0 r i m 、7 8 0 a m 響 v c d ， 【1 1 】c m o s 年應(yīng)度分別為3 3 4m w p w 、11 9m v p w d v d 2 0 0 9 4 0 5 r i m 、5 v 電壓下響應(yīng)度為2 2 m v 舢w ； h d d v d 【2 8 】 b i c m o s 年高頻帶寬1 6 3 m h z ；功耗11 5 m w d n d | c d 8 p i n ，功耗3 0 0 r o w ，6 5 0 h m 相應(yīng)度 2 5h d d v d 【2 4 】 b i c m 0 l s10 0 m v a w ，t i a 增益13 0 t 淞2 7 0 1 g q 帶 年 d v d c d 國(guó) 寬2 6 0 m h z 外 2 0 0 34 - 背電極p i n ，5 v 供電功耗5 3 r o w ，增益 【2 9 c m o s d v d 年 2 4 m v l a w ，帶寬1 4 7 m h z 2 0 0 2 8 s p b n d n w - p d ，5 v 供電功耗1 5 0 h d d v d 【3 0 b i c m o s 年3 5 0 r o w ，帶寬2 5 0m n z d v d c d b c d 工藝下d v d 光學(xué)頭中單片集成p d i c 的研制 1 3 自制單片集成p d i c 的設(shè)計(jì) 本文采用的是六象限光電探測(cè)器陣列的p d i c ，如圖1 3 所示。圖中六個(gè)反 偏連接的二極管分別表示光電探測(cè)器彳，。其后緊跟著各光電探測(cè)器支路的電 流一電壓前置放大器。此外，還有求和運(yùn)算放大器用于信號(hào)求和。彳俐為各 支路的電壓輸出；和分別為電源電壓和參考電壓；g n d 為信號(hào)地；腳乙 為讀出射頻信號(hào)，即魁0 = + b 刪+ c 咖+ d 剛。 1 3 1p d i c 的功能 圖l - 3p d i c 示意圖 光盤(pán)是以沿螺旋形軌跡排列的不同長(zhǎng)度的凹坑和間隔來(lái)表示信息內(nèi)容的。對(duì) 于d v d 最小坑長(zhǎng)0 4 岬、信息坑寬0 3 岬、螺旋軌跡間距o 7 4 1 t m ，如圖1 4 所示。 激光頭從光盤(pán)上進(jìn)行信息檢測(cè)時(shí)，利用激光二極管發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)一系列光學(xué) 部件整形，包括光柵、準(zhǔn)直透鏡、反射鏡、全息板、1 4 波長(zhǎng)板、分光棱鏡等， 最后經(jīng)物鏡聚焦成極細(xì)的光束，垂直照射到光盤(pán)上，掃描高速旋轉(zhuǎn)的光盤(pán)信息表 面，反射光束沿一定的光路照射到光檢測(cè)器p d ( p h o t od e t e c t o r ) 上，從p d 輸出的 強(qiáng)弱有別的信號(hào)經(jīng)后續(xù)放大與處理后，獲得記錄在光盤(pán)上的“0 ”、“l(fā) ”信息流，形 6 第一章緒論 成r f ( r a d i o f r e q u e n e y ) 信號(hào)，經(jīng)后端一系列處理后得到圖像及聲音信號(hào)3 1 3 捫。 一口口固一 t 問(wèn)歪 圖1 - 4d v d 信息坑槽結(jié)構(gòu) p d i c 包含p d ( p h o t od e t e c t o r ) 陣列和i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i 0 兩部分，前端 的光電探測(cè)器陣列把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的光電流信號(hào)；后端是前置放大電路，可 把光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大到所需要的幅度。它是光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)光學(xué)頭 中的關(guān)鍵元件【l i j 。 p d i c 另外一個(gè)功能是提供聚焦誤差( f e s ) 和循跡誤差信號(hào)( t e s ) ，以及 光盤(pán)存儲(chǔ)的射頻信號(hào)( 1 江s ) 【。實(shí)際工作中由于光盤(pán)的偏心，主軸電機(jī)軸的不 同心度等原因，將引起盤(pán)片在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，沿盤(pán)片徑向抖動(dòng)；而且，由于信息 紋是按螺旋方式存放的，這就意味著光盤(pán)在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，信息紋離盤(pán)中心的半 徑也在變化。為了可靠地從光盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)，使光束正好落在信息紋上，p d i c 檢測(cè)光信號(hào)的同時(shí)還必須提供光束方向的聚焦誤差信號(hào)( f o c u se r r o rs i g n a l ， f e s ) 和在信息道上的循跡誤差信號(hào)( t r a c k i n ge r r o rs i g n a l ，t e s ) 。 在p d i c 中正常工作時(shí)，利用a 國(guó)四個(gè)光電探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)l 強(qiáng)信號(hào)的讀取， 為上述四個(gè)象限輸出之和，即腳乙= 如+ + + 。而聚焦誤差信號(hào) ( f e s ) 檢測(cè)方法有：像散法、刀口法、臨界角法、富科棱鏡法、光斑大小法等。 像散法是最常用的聚焦誤差檢測(cè)方法。它是利用像散元件，把物鏡離焦量的變化 轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌较蚬饽艿淖兓?，?jīng)光電檢測(cè)器得到誤差信號(hào)。圖1 5 為像散法的原 理示意圖，四象限光檢測(cè)器p d 的位置必須很精確，以保證在正焦時(shí)反射光斑在 p d 上形成圓形，此時(shí)聚焦誤差信f e ( f o c u se r r o r ) 輸出為零；在近焦點(diǎn)及遠(yuǎn) 焦點(diǎn)情況下，p d 上的光斑形狀發(fā)生變化變成橢圓 n i l 3 5 1 。 為了檢測(cè)出光束在信息紋上的能最偏差，采用的尋跡誤差信號(hào)檢測(cè)方法有三 7 b c d 工藝下d v d 光學(xué)頭中單片集成p d i c 的研制 光束法、推挽法、衍射推挽法、相位差法、差動(dòng)推挽法、波動(dòng)法、外相差法等。 正焦 遠(yuǎn)焦口 聚焦誤差 f e 日o 聚焦誤差 f e 罩o 聚焦誤差 f e ) o 圖l - 5 像散法原理示意圖 在d v d 中一般采用相位差分法( d i f f e r e n t i a lp h a s ed e t e c t i o n ，d p d ) 。該方法檢 測(cè)a d 四個(gè)光電探測(cè)器中兩組對(duì)角輸出的相位差，光斑在信息紋上移動(dòng)時(shí)，根 據(jù)t e s = a o t ( a + o p + d ) 】的大小，檢測(cè)出尋跡誤差信號(hào)t e ，由此控制尋跡 線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電流，達(dá)到正確尋跡的目的。 1 3 2p d i c 的設(shè)計(jì)指標(biāo) 根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)1 5 】【3 5 】【3 6 1 ，確定了本文p d i c 的相關(guān)的性能指標(biāo)如 表1 2 和1 3 所示： 表1 2p d i c 極限參數(shù)( t a = 2 5 。c ) 參數(shù)名稱(chēng)符號(hào) 數(shù)值( 室溫) 單位 供電電壓 v d d6v 允許功耗 p 01 5 0m w 工作溫度 t 0 p 1 2 0 7 0 儲(chǔ)存溫度 t s t g 一4 0 一8 5o c 表1 3p d i c 電氣參數(shù)( 名= 6 5 0 n m ，r = l o 施，c = 1 0 p ) 參數(shù)名稱(chēng)符號(hào) 測(cè)試條件 m i n t y p m a x 單位 供電電壓v d d4 55 5 5 v 參考電壓 v 陀f2 4 2 52 6 v 8 磣砂砂 第一章緒論 v o fb d ，p 尸l o 州 2 0 02 5 03 輸出電壓 m v v o r b - f ，p i - l o “w 4 0 04 5 05 ld ，p 產(chǎn)l o 州 2 02 53 0 響應(yīng)度 m v l i w kb 市，p 嚴(yán)l o | i w 4 04 55 0 輸出失調(diào)電壓 v 晴a f p , - - 0 2 0 o+ 2 0m v 最大輸出電壓v o m xa - f ，p i - 1 0 0 p w 4 ov a d ，f = 1 0 0 k h z ，- 3 d b 2 03 5 頻率響應(yīng)m h z e 市，f = 1 0 0 k h z ，- 3 d b 24 f - - 4 m h z ，r b w - - 3 0 k ， 輸出噪聲 7 0d b m v b w = 1 0 0 h z ，p i = 0 1 3 3 單片集成p d i c 研究意義 目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的d v d 產(chǎn)品，憑借低廉的生產(chǎn)成本，己在國(guó)際d v d 市場(chǎng) 占據(jù)了很大的市場(chǎng)份額。國(guó)際d v d 市場(chǎng)的一半以上產(chǎn)品來(lái)自中國(guó)，為名副其實(shí) 的世界d v di 廠(chǎng)。但是d v d 產(chǎn)品中用到的關(guān)鍵技術(shù)主要由日本的索尼、東芝、 n e c 、松下以及荷蘭的飛利浦等國(guó)外大公司所壟斷，很多商用芯片絕大部分依賴(lài) 進(jìn)口，p d i c 更幾乎還是空白。國(guó)內(nèi)d v d 生產(chǎn)商大部分利潤(rùn)用于繳納核心技術(shù) 的專(zhuān)利費(fèi)，要擺脫這種窘境，p d i c 國(guó)產(chǎn)化很有必要。 雖然藍(lán)光d v d 已經(jīng)慢慢占據(jù)d v d 市場(chǎng)，但由于價(jià)格問(wèn)題國(guó)內(nèi)紅光d v d 還會(huì) 繼續(xù)存在。本文利用低成本的0 5 1 1 m b c d i 藝研制單片集成的p d i c ，對(duì)于p d i c 芯片國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)外公司的壟斷，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)藍(lán)光d v d 的研究 開(kāi)發(fā)，也具有一定的指導(dǎo)作用。 同時(shí)6 5 0 n m 光電探測(cè)器除了在d v d 光盤(pán)應(yīng)用外，其他方面還有著相當(dāng)廣泛的 應(yīng)用。比如：6 5 0 r i m 塑料光纖通信中作為光接收探測(cè)器；用于6 5 0 r i m 激光器的光 功率自動(dòng)控制電路中的激光信號(hào)探測(cè)；可以用作條形碼等的光學(xué)讀取頭；醫(yī)療方 面，激光經(jīng)皮膚照射靜脈血液的治療儀中也采用了6 5 0 n m 光電探測(cè)器。因此，單 片集成p d i c 的研究對(duì)于這些方面的應(yīng)用研究也有定的參考作用。 9 b c d 工藝下i ) v o 光學(xué)頭中單片集成p d i c 的研制 1 4 本文主要內(nèi)容 本文討論了硅基單片集成p d i c 檢測(cè)芯片的研制。根據(jù)課題研究?jī)?nèi)容，本文 的主要工作和其它章節(jié)的主要內(nèi)容安排如下： 第二章：分析光電探測(cè)器的工作原理并設(shè)計(jì)與b c d - v 藝兼容的p i n 光電探測(cè) 器。 第三章：介紹各種前置放大器種類(lèi)與結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)討論負(fù)反饋跨阻放大器。設(shè) 計(jì)和分析用于p d i c 的跨阻放大器結(jié)構(gòu)， 第四章：分析了l d o 的工作原理， 在此基礎(chǔ)上s p c t r e 軟件進(jìn)行模擬仿真。 重點(diǎn)討論了其核心模塊的設(shè)計(jì)。 第五章：針對(duì)設(shè)計(jì)的光電集成電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，特別介紹了整個(gè)版圖設(shè)計(jì) 流程中需要注意的問(wèn)題和設(shè)計(jì)技巧。 第六章：對(duì)流片回來(lái)的o e i c 芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單的透明封裝與r o s a 封裝，進(jìn)行 了各種測(cè)試。 第七章：總結(jié)本文的主要工作，展望本文工作成果的意義，并提出今后進(jìn)一 步的研究和完善的方向。 1 0 第一章緒論 參考文獻(xiàn) 【l 】徐端頤光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理【m 】北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2 0 0 0 【2 】駱志堅(jiān)，李旭鵬d v d 簡(jiǎn)介【j 】電聲技術(shù)，2 0 0 2 ，3 ：4 9 5 1 【3 】張善鋒d v d 聚焦控制和信號(hào)處理電路板的設(shè)計(jì) d 】大連：大連理工大學(xué)， 2 0 0 5 4 】4 劉憲坤下一代d v d 展望 j 】電視技術(shù)，2 0 0 4 ，1 2 ：7 11 【5 】m a e d at o p t i c a ld i s ks y s t e mu s i n gb l u e - v i o l e tl a s e r j o p t i c a lm e m o r ya n d o p t i c a ld a t as t o r a g et o p i c a lm e e t i n g 2 0 0 2 ，4 2 2 4 2 4 【6 】k o b o t at h dd v do v e r v i e wo fn e x tg e n e r a t i o no p t i c a ld i s cf o r m a t j i tt oh d ， 2 0 0 4 ：2 1 3 2 2 4 【7 】s h i b a t o k ot ，o h k u b os ，i d et e ta 1 o p t i c a lh e a da n d o p t i c a ld i s kt e c h n o l o g i e sf o r h dd v d j c o m s u m e re l e c t r o n i c s ，2 0 0 5 ：l l 1 2 【8 】卓輝立d v d 激光頭技術(shù)簡(jiǎn)介【j 】山東電子，2 0 0 5 ，3 ：3 9 - 4 1 【9 】陳弘達(dá)微電子與光電子集成技術(shù)【m 】北京：電子工業(yè)出版社，2 0 0 8 ：9 1 0 1 0 】葉玉堂，饒建珍等光學(xué)教程【m 】北京：清華大學(xué)出版社，2 0 0 5 ：4 8 6 - 4 8 9 【l l 】梁恩主，鄭婉華等新型d v d v c d 光學(xué)頭用p d i c 的研制【j 】半導(dǎo)體光電， 2 0 0 1 ，2 2 ( 5 ) ：3 4 7 - 3 5 0 【1 2 】梁恩主d v d 光學(xué)頭用p d i c 的研制與測(cè)試【d 】北京：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研 究所，2 0 0 1 【1 3 】胡海軍，李揮，張政操等一種新型d v d 激光讀取頭光電檢測(cè)集成電路的 研制【j 】半導(dǎo)體光電，2 0 0 8 ，2 9 ( 6 ) ：8 3 9 8 4 3 【1 4 】安杰，邳雪松，李揮等用于p d i c 的跨阻放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)【j 】半導(dǎo)體光 電，2 0 0 9 ，3 0 ( 5 ) ：6 6 0 - 6 6 2 【l5 】杭州士蘭光電s m 6 2 5 a x x z 】2 0 0 9 【l6 】杭州士蘭光電s m 5 2 5 a x x z 2 0 0 5 【1 7 】卞劍濤單片集成光盤(pán)信號(hào)探測(cè)放大芯片( p d i c ) 的研制【d 】廈門(mén)： 廈門(mén)大學(xué)，2 0 0 6 【l8 】t a k a h i r ot a k i m o t o ，n a o k if u k u n a g a ，e ta 1 h i g hs p e e ds i o e i c ( o p i c ) f o r o p t i c a lp i c k u p j i e e et r a n s a c t i o no nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，19 9 8 ，4 4 ( 1 ) ：13 7 一 l l 1 4 2 b e d 工藝下d v d 光學(xué)頭中單片集成p d i c 的研制 【19 】m o t o h i k oy a m a m o t o ，m a s a mk u b o ，e ta 1 s i - o e i cw i t hb u i l t ，i np i n p h o t o d i o d e 【j 】i e e et r a n s a c t i o no ne l e c t r o nd e v i c e s ，1 9 9 5 ，4 2 ( 1 ) ：5 8 6 3 2 0 】h z i m m e r m a n n m o n o l i t h i cb i p o l a r , c m o sa n db i c m o sr e c i v e ro e i c s j i e e e ，1 9 9 9 ：3 l - 4 0 2l 】a g h a z i ，t h e i d e ，e ta 1 c m o sp i nf i b e rr e c e i v e ra n dd v do e i c j i e e e p r o e e d m o 9 9 ，1 9 9 9 ：1 0 8 一1 1 2 2 2 】a g h a z i ，t h e i d e ，e ta 1 d