Photodiode modeling and optoelectronic integrated circuits for optical-data-storage applications

Abstract

Der erste Teil der Arbeit präsentiert die Integration und Modellierung von Hochgeschwindigkeitsphotodioden in einem 0.5um BiCMOS IC Prozeß. Er beinhaltet die notwendige Theorie wie Transmission und Reflexion von Licht sowie das dynamische Ladungsträgerverhalten in Silizium und in pn-Übergängen. Zwei Beispiele für die Integration von Photodioden werden vorgestellt, eine Photodiode ohne Prozeßmodifikation sowie eine PIN-Photodiode. Schließlich wird ein Photodioden SPICE Modell gezeigt, welches zeitabhängige Ladungsträger Drift und Diffusioneffekte berücksichtigt. Weiters werden 3-dimensionale Effekte mittels einer Netzwerknäherung beschrieben. Mittels eines "Mathematica" Programmes kann die Photodiodengeometrie definiert, sowie ein SPICE Modell automatisch erstellt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Theorie von Transimpedanz Verstärkern präsentiert. Ein optoelektronischer IC für optische Datenspeicher Anwendungen wird vorgestellt. Der Baustein beinhaltet integrierte PIN-Photodioden, sowie Architekturen von Transimpedanzverstärkern mit hoher Geschwindigkeit und kleinem Rauschen.<br />Die Verstärkung ist programmierbar von 130 Ohm bis 270000 Ohm mittels seriellem Interface. Die Kleinsignal-Bandbreite des Verstärkers beträgt 260 MHz bei der höchsten Verstärkung. Der Baustein unterstützt einen speziellen Mode, welcher die Verstärkung bei hohen Eingangssignalen nichtlinear reduziert. Die Ausgangstreiber sind impedanzangepasst um eine optimale Datenübertragung über ein Flachbandkabel zu gewährleisten.<br />Die Impedanz wird mittels aktiver Impdanz-Synthese generiert, um den Dynamikbereich der Ausgangsspannung zu erhöhen.<br />

The first part of this work presents the integration and modeling of high-speed photodiodes in a 0.5um BiCMOS IC process. This includes the necessary theory on light transmission and reflection, as well as dynamic carrier behavior inside silicon and pn-junctions. Two examples for photodiode integration are presented. A photodiode without process modification and a high-performance PIN photodiode. Finally a photodiode SPICE model is shown that includes time-dependent carrier drift and diffusion effects as well as 3-dimensional behavior by using a network approximation. A "Mathematica" script is used to design the photodiode geometry and generates a photodiode SPICE model netlist. In the second part of this work theory of transimpedance amplifier circuits is covered. An optoelectronic receiver IC for optical data storage applications is presented. It includes integrated PIN photodiodes as well as circuit architectures of high-speed and low-noise variable gain transimpedance amplifiers with current pre-amplifier input. The amplifier gain is programmable over a range of 130 Ohm to 270000 Ohm with a serial interface. The amplifier small-signal bandwidth is 260 MHz for highest gain. The amplifiers support a special write/clip mode which realizes a nonlinear gain reduction for high input signals. The output buffers are impedance matched for optimized data transmission over a flex cable. The impedance is generated with active impedance synthesis to increase output dynamic range.