一種基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，包括依次串聯(lián)且集成在4H-SiC襯底上的：紫外探測(cè)器、RGC輸入電路、電壓增益電路和輸出電路，前述RGC輸入電路采用4H-SiC?MESFET器件設(shè)計(jì)，由共柵級(jí)放大電路和共源級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成反饋；還包括：兩端分別與電壓增益電路的輸入端、輸出電路的輸出端連接的負(fù)反饋電路。本發(fā)明的有益之處在于：通過RGC輸入電路、電壓增益電路和輸出電路有效的轉(zhuǎn)移了電路主極點(diǎn)，拓展了電路帶寬；基于4H-SiC襯底，具有抗高溫、抗高功率、抗輻射的優(yōu)點(diǎn)，能在其它接收機(jī)不能適應(yīng)的惡劣環(huán)境下工作；電路有較寬的帶寬與低的電路噪聲，適用于紫外光通信，可以應(yīng)用在衛(wèi)星探測(cè)等領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于4H-S i C襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大 電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種紫外光接收機(jī)前端放大電路，具體涉及一種基于4H-SiC襯底的 單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，屬于電學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)正變的越來越重要。依靠大的傳輸容量與 不斷增長(zhǎng)的速度使得人們?cè)絹碓角嗖A以光為載體進(jìn)行信息的傳播。把光子器件與電子器件 集成在一塊襯底上的光電集成電路也隨之誕生。光電集成電路具有體積小、重量輕、低噪 聲、高的可靠性以及低的集成電感與電容等優(yōu)點(diǎn)，使得其在電信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、軍事系 統(tǒng)以及光信息處理系統(tǒng)等領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。
[0003] 近年來紫外光探測(cè)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并逐漸發(fā)展成為又一軍民兩用的光電 綜合技術(shù)。軍事方面，可用于導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈制導(dǎo)和紫外通信等方面；民用方面，主要應(yīng)用于 測(cè)量空氣中的紫外線含量、燃燒工程和紫外水凈化處理等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高，紫 外探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用前景和市場(chǎng)將更加廣泛，現(xiàn)已成為世界各國(guó)研究發(fā)展的熱點(diǎn)。
[0004] 用于紫外探測(cè)的光接收機(jī)得到了普遍關(guān)注。進(jìn)而以紫外光為背景的光電集成電路 引起了人們的廣泛興趣，如何將系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)或接收機(jī)等部分的光子器件和電子器件集 成于同一芯片上成為了研究的熱點(diǎn)。這種單片集成器件在性能和可靠性等方面具有傳統(tǒng)電 路無法比擬的優(yōu)越性。并且由于紫外探測(cè)技術(shù)一般應(yīng)用在航空航天、人造衛(wèi)星、太空探測(cè)等 惡劣環(huán)境下，這就要求所使用的材料要有在高溫、高頻、高功率、高輻照等條件下工作的能 力。第三代半導(dǎo)體憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在高溫大功率方面展現(xiàn)了良好的特性，得到了人們的大 量關(guān)注。這其中SiC材料由于禁帶寬度大，是制作耐高溫、耐腐蝕、抗輻射的理想材料，用來 解決高溫、大功率以及極端環(huán)境的問題具有很大潛力。另外高的截止頻率與大的擊穿電壓 特性也使它在光接收機(jī)前置放大器中的應(yīng)用具有很好的優(yōu)勢(shì)。因此以SiC為基礎(chǔ)的光接收 機(jī)模塊的設(shè)計(jì)具有重要的意義。然而不論是光學(xué)器件還是SiC器件，目前都沒有成熟的電 路模型進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，如果要利用微電子電路的模擬方法對(duì)光電集成電路（0EIC)進(jìn)行模 擬分析，則需要首先建立它們的等效電路模型。
[0005] 在整個(gè)光接收機(jī)系統(tǒng)中，前置放大器是最為關(guān)鍵的器件，它決定了整個(gè)接收機(jī)系 統(tǒng)的靈敏度和帶寬。前置放大器的作用是將光探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。由 于光電探測(cè)器中輸出的電流信號(hào)非常小，這就對(duì)前置放大器的帶寬與噪聲提出了要求，一 般提高帶寬的方法有電感峰化、共源級(jí)輸入等。但是這些方法存在有一定的不足之處，例 如：用電感峰化技術(shù)會(huì)使得芯片面積較大，同時(shí)電感的引入會(huì)增加電路信號(hào)的延遲，另外電 感峰化技術(shù)不適合集成。共源級(jí)輸入能夠提高電路的噪聲性能和線性度，但是對(duì)輸入電容 影響的抑制作用差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于4H_SiC襯底的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有更寬的帶寬和更 低的噪聲的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0008] -種基于4H_SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，包 括：
[0009] 紫外探測(cè)器仏：陽(yáng)極與RGC輸入電路的輸入端連接、陰極與直流電壓源V2的正極 連接，用來將接收到的紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，
[0010] RGC輸入電路：輸入端與紫外探測(cè)器仏的陽(yáng)極連接、輸出端與電壓增益電路的輸 入端連接，用來將紫外探測(cè)器Α傳來的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)屏蔽紫外探測(cè)器仏 的電容，拓展電路帶寬，
[0011] 電壓增益電路：輸入端與RGC輸入電路的輸出端連接、輸出端與輸出電路的輸入 端連接，用來進(jìn)一步放大RGC輸入電路輸出的信號(hào)，提高輸出信號(hào)的增益，
[0012] 輸出電路：輸入端與電壓增益電路的輸出端連接，用于驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路，并且隔離內(nèi) 部電路與后續(xù)電路，
[0013] 前述紫外探測(cè)器Ui、RGC輸入電路、電壓增益電路、輸出電路集成在4H-SiC襯底 上。
[0014] 前述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，前 述RGC輸入電路采用4H-SiC MESFET器件設(shè)計(jì)，由共柵級(jí)放大電路和共源級(jí)放大電路級(jí)聯(lián) 構(gòu)成反饋，
[0015] 前述共柵級(jí)放大電路由電阻Rd、Rs和晶體管M2組成，前述電阻R d的一端與電壓VDD 連接、另一端與晶體管M2的漏端連接，前述電阻Rs的一端與晶體管仏的源端連接、另一端 接地，前述晶體管M 2的源端和漏端分別為共柵極放大電路的輸入端和輸出端，晶體管M2的 柵端通過共源級(jí)放大電路中的電阻&接電壓VDD，形成共柵極結(jié)構(gòu)，
[0016] 前述共源級(jí)放大電路由電阻&和晶體管Mi組成，前述晶體管Mi的源端接地、漏端 與電阻&的一端連接，電阻&的另一端連接到電壓VDD，前述晶體管札的柵端和漏端分別 為共源級(jí)放大電路的輸入端和輸出端，
[0017] 前述共源級(jí)放大電路的輸入端、輸出端分別與共柵級(jí)放大電路的輸入端、晶體管 M2的柵端連接，
[0018] 前述共柵極放大電路的輸入端和輸出端分別為RGC輸入電路的輸入端和輸出端。
[0019] 前述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，前 述電壓增益電路由電阻札、R 2和晶體管M3構(gòu)成，前述電阻Ri的一端與電壓VDD連接、另一 端與晶體管M3的漏端連接，電阻R 2的一端與晶體管M3的源端連接、另一端接地，前述晶體 管M3的柵端和漏端分別為電壓增益電路的輸入端和輸出端。
[0020] 前述的基于4H_SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，前 述輸出電路由晶體管M 4和電阻R構(gòu)成，前述電阻R的一端與晶體管M4的源級(jí)連接、另一端 接地，前述晶體管M 4的漏極與電壓VDD連接，晶體管M4的柵端和源端分別為輸出電路的輸 入端和輸出端。
[0021] 前述的基于4H_SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，前 述紫外探測(cè)器為4H_SiC紫外探測(cè)器。
[0022] 前述的基于4H_SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，前 述4H_SiC紫外探測(cè)器呈MSM結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)背靠背的肖特基勢(shì)壘二極管構(gòu)成。
[0023] 前述的基于4H_SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，還 包括：負(fù)反饋電路，
[0024] 前述負(fù)反饋電路由電阻RF構(gòu)成，前述電阻RF的兩端分別與電壓增益電路的輸入 端、輸出電路的輸出端連接，起到穩(wěn)定輸出信號(hào)的作用。
[0025] 本發(fā)明的有益之處在于：
[0026] 1、通過RGC輸入電路、電壓增益電路和輸出電路有效的轉(zhuǎn)移了電路主極點(diǎn)，拓展 了電路帶寬；
[0027] 2、基于4H_SiC襯底，具有抗高溫、抗高功率、抗輻射的優(yōu)點(diǎn)，能在其它接收機(jī)不能 適應(yīng)的惡劣環(huán)境下工作；
[0028] 3、電路有較寬的帶寬與低的電路噪聲，適用于紫外光通信，可以應(yīng)用在衛(wèi)星探測(cè) 等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的紫外光接收機(jī)前端放大電路的組成原理圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明的紫外光接收機(jī)前端放大電路的電路圖；
[0031] 圖3是圖2中的呈MSM結(jié)構(gòu)的紫外探測(cè)器的等效電路圖。
[0032] 圖4是本發(fā)明的紫外光接收機(jī)前端電路的仿真的頻率特性曲線圖；
[0033] 圖5是本發(fā)明的紫外光接收機(jī)前端電路的仿真的瞬態(tài)特性曲線圖；
[0034] 圖6是本發(fā)明的紫外光接收機(jī)前端電路的仿真的輸入噪聲特性曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
[0036] 參照?qǐng)D1和圖2,本發(fā)明的基于4H_SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電 路包括：紫外探測(cè)器1 RGC輸入電路、電壓增益電路和輸出電路，并且紫外探測(cè)器I RGC 輸入電路、電壓增益電路和輸出電路均集成在4H-SiC襯底上。其中：
[0037] 1、紫外探測(cè)器仏用來將接收到的紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，其陽(yáng)極與RGC輸入 電路的輸入端連接，陰極與直流電壓源V 2的正極連接，V2的負(fù)極接地，紫外探測(cè)器U1的兩 端并聯(lián)有一電阻Rg，電阻R g是紫外探測(cè)器Α的負(fù)載。
[0038] 作為一種優(yōu)選的方案，紫外探測(cè)器UiSffl-SiC紫外探測(cè)器。更為優(yōu)選的是， 4H_SiC紫外探測(cè)器A呈MSM結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)背靠背的肖特基勢(shì)壘二極管構(gòu)成。正常工作時(shí)兩 個(gè)二極管耗盡區(qū)相連，并且具有相同的電場(chǎng)方向，當(dāng)偏置在足夠大的電壓下，總是有一個(gè)二 極管處于反向偏置，因此具有小的反偏電流與高的響應(yīng)度。
[0039] 基于MSM結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的工作原理，從載流子連續(xù)性方程出發(fā)，建立其等效電 路模型，如圖3所示。該電路模型有三個(gè)端點(diǎn)，P in端點(diǎn)為虛擬端口，利用電信號(hào)模擬光信號(hào) 的輸入，ΝΑ、NB兩端點(diǎn)依次為探測(cè)器的正極與負(fù)極。
[0040] 由于紫外探測(cè)器的MSM平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以MSM結(jié)構(gòu)的紫外探測(cè)器與場(chǎng)效應(yīng)管有 良好的兼容性。
[0041] 2、RGC輸入電路用來將紫外探測(cè)器Ui傳來的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)屏蔽 紫外探測(cè)器Α的電容，拓展電路帶寬，RGC輸入電路的輸入端與紫外探測(cè)器仏的陽(yáng)極連接， 輸出端與電壓增益電路的輸入端連接。
[0042] 3、電壓增益電路用來進(jìn)一步放大RGC輸入電路輸出的信號(hào)，提高輸出信號(hào)的增 益，電壓增益電路的輸入端與RGC輸入電路的輸出端連接，輸出端與輸出電路的輸入端連 接。
[0043] 4、輸出電路的輸入端與電壓增益電路的輸出端連接。輸出電路用于驅(qū)動(dòng)后續(xù)電 路，并且隔離了內(nèi)部電路與后續(xù)電路，從而提高了前端放大電路的驅(qū)動(dòng)能力。
[0044] 作為一種優(yōu)選的方案，參照?qǐng)D1和圖2,本發(fā)明的基于4H_SiC襯底的單片集成紫 外光接收機(jī)前端放大電路還包括：負(fù)反饋電路。負(fù)反饋電路由電阻R F構(gòu)成，電阻RF的一端 與電壓增益電路的輸入端連接、另一端與輸出電路的輸出端連接，當(dāng)輸出信號(hào)增加時(shí)，電阻 RF(負(fù)反饋電路）將高電平反饋回電壓增益電路的輸入端，由晶體管M3將晶體管M3的漏端 電位拉低，該信號(hào)又作為晶體管仏的柵電位，因此晶體管M 4源極跟隨器的輸出信號(hào)降低，即 輸出電路的輸出電位下降，從而起到了穩(wěn)定輸出信號(hào)的作用，反之亦然。
[0045] 在本發(fā)明中，RGC輸入電路優(yōu)選采用4H-SiC MESFET器件設(shè)計(jì)，并且其由共柵級(jí)放 大電路和共源級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成反饋。下面分別介紹共柵級(jí)放大電路和共源級(jí)放大電 路。
[0046] 參照?qǐng)D2,共柵級(jí)放大電路由電阻Rd、Rs和晶體管仏組成，其中，電阻R d的一端與 電壓VDD連接、另一端與晶體管M2的漏端連接，電阻Rs的一端與晶體管仏的源端連接、另一 端接地。晶體管仏的源端為共柵極放大電路的輸入端，晶體管仏的漏端為共柵極放大電路 的輸出端，晶體管M 2的柵端通過共源級(jí)放大電路中的電阻&接電壓VDD，形成共柵極結(jié)構(gòu)。
[0047] 參照?qǐng)D2,共源級(jí)放大電路由電阻&和晶體管札組成，晶體管札的源端接地、漏端 與電阻&的一端連接，電阻&的另一端連接到電壓VDD。晶體管札的柵端為共源級(jí)放大電 路的輸入端，晶體管A的漏端為共源級(jí)放大電路的輸出端。
[0048] 共柵級(jí)放大電路和共源級(jí)放大電路之間的連接關(guān)系如下：共源級(jí)放大電路的輸入 端即晶體管A的柵端與共柵級(jí)放大電路的輸入端即晶體管M2的源端連接，共源級(jí)放大電路 的輸出端即晶體管A的漏端與晶體管仏的柵端連接，從而形成負(fù)反饋環(huán)路，能夠有效穩(wěn)定 共柵極放大電路的輸出信號(hào)。
[0049] 在共柵級(jí)放大電路和共源級(jí)放大電路中，共柵極放大電路的輸入端即晶體管M2的 源端為RGC輸入電路的輸入端，RGC輸入電路的輸入端與紫外探測(cè)器仏的陽(yáng)極連接；共柵 極放大電路的輸出端即晶體管M 2的漏端為RGC輸入電路的輸出端，RGC輸入電路的輸出端 與電壓增益電路的輸入端連接。
[0050] 作為一種優(yōu)選的方案，參照?qǐng)D2,電壓增益電路由電阻札、R2和晶體管％構(gòu)成，其 中，電阻札的一端與電壓VDD連接、另一端與晶體管M 3的漏端連接，電阻R2的一端與晶體 管％的源端連接、另一端接地。晶體管％的柵端為電壓增益電路的輸入端，電壓增益電路 的輸入端與RGC輸入電路的輸出端即晶體管M 2的漏端連接；晶體管M3的漏端為電壓增益電 路的輸出端，電壓增益電路的輸出端與輸出電路的輸入端連接。
[0051] 作為一種優(yōu)選的方案，參照?qǐng)D2,輸出電路由晶體管M4和電阻R構(gòu)成，其中，電阻R 的一端與晶體管M4的源級(jí)連接、另一端接地，晶體管M4的漏極與電壓VDD連接。晶體管M 4 的柵端為輸出電路的輸入端，輸出電路的輸入端與電壓增益電路的輸出端即晶體管m3的漏 端連接；晶體管M4的源端為輸出電路的輸出端，輸出電路的輸出端與負(fù)反饋電路的一端連 接，負(fù)反饋電路的另一端與電壓增益電路的輸入端連接。
[0052] 通過在PSpcie中仿真，我們得到了整體電路的幅頻特性、瞬態(tài)特性以及等效輸入 噪聲曲線，分別參見圖4、圖5和圖6。
[0053] 由此可見，采用4H_SiC MESFET設(shè)計(jì)的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路具有 良好的特性：帶寬更寬，噪聲更低。
[0054] 需要說明的是，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變 換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其特征在于，包括： 紫外探測(cè)器A :陽(yáng)極與RGC輸入電路的輸入端連接、陰極與直流電壓源V2的正極連接， 用來將接收到的紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)， RGC輸入電路：輸入端與紫外探測(cè)器仏的陽(yáng)極連接、輸出端與電壓增益電路的輸入端 連接，用來將紫外探測(cè)器A傳來的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)屏蔽紫外探測(cè)器仏的電 容，拓展電路帶寬， 電壓增益電路：輸入端與RGC輸入電路的輸出端連接、輸出端與輸出電路的輸入端連 接，用來進(jìn)一步放大RGC輸入電路輸出的信號(hào)，提高輸出信號(hào)的增益， 輸出電路：輸入端與電壓增益電路的輸出端連接，用于驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路，并且隔離內(nèi)部電 路與后續(xù)電路， 所述紫外探測(cè)器A、RGC輸入電路、電壓增益電路、輸出電路集成在4H-SiC襯底上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其 特征在于，所述RGC輸入電路采用4H-SiCMESFET器件設(shè)計(jì)，由共柵級(jí)放大電路和共源級(jí)放 大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成反饋， 所述共柵級(jí)放大電路由電阻Rd、Rs和晶體管M2組成，所述電阻R d的一端與電壓VDD連 接、另一端與晶體管M2的漏端連接，所述電阻Rs的一端與晶體管M2的源端連接、另一端接 地，所述晶體管M 2的源端和漏端分別為共柵極放大電路的輸入端和輸出端，晶體管仏的柵 端通過共源級(jí)放大電路中的電阻&接電壓VDD，形成共柵極結(jié)構(gòu)， 所述共源級(jí)放大電路由電阻&和晶體管A組成，所述晶體管A的源端接地、漏端與電 阻&的一端連接，電阻&的另一端連接到電壓VDD，所述晶體管札的柵端和漏端分別為共 源級(jí)放大電路的輸入端和輸出端， 所述共源級(jí)放大電路的輸入端、輸出端分別與共柵級(jí)放大電路的輸入端、晶體管％的 柵端連接， 所述共柵極放大電路的輸入端和輸出端分別為RGC輸入電路的輸入端和輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其 特征在于，所述電壓增益電路由電阻Ri、R 2和晶體管M3構(gòu)成，所述電阻&的一端與電壓VDD 連接、另一端與晶體管M3的漏端連接，電阻R2的一端與晶體管％的源端連接、另一端接地， 所述晶體管M 3的柵端和漏端分別為電壓增益電路的輸入端和輸出端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其 特征在于，所述輸出電路由晶體管M4和電阻R構(gòu)成，所述電阻R的一端與晶體管M 4的源級(jí) 連接、另一端接地，所述晶體管M4的漏極與電壓VDD連接，晶體管M4的柵端和源端分別為輸 出電路的輸入端和輸出端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其 特征在于，所述紫外探測(cè)器為4H-SiC紫外探測(cè)器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前端放大電路，其 特征在于，所述4H-SiC紫外探測(cè)器呈MSM結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)背靠背的肖特基勢(shì)壘二極管構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述的基于4H-SiC襯底的單片集成紫外光接收機(jī)前 端放大電路，其特征在于，還包括：負(fù)反饋電路， 所述負(fù)反饋電路由電阻RF構(gòu)成，所述電阻RF的兩端分別與電壓增益電路的輸入端、輸
【文檔編號(hào)】H03F1/26GK104092441SQ201410276761
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】張軍琴, 崔瑜強(qiáng), 李婭妮 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)