Empfänger mit integrierter Lawinenfotodiode

Abstract

Diese Arbeit fokussiert die monolithischen integrierten Lawinenfotodioden (APDs) Empfänger. Der Vorteil dieser Empfänger ist ihre verbesserte Sensitivität gegenüber Standard P-Intrinsic-N Diode (PIN) Empfängern und die niedrigen Herstellungskosten aufgrund der monolithischen Integration. Für die Entwicklung wurde ein 0,35 mm Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor (BiCMOS) Prozess gewählt, der sich für die Entwicklung von optoelektronisch integrierten Schaltungen (OEICs) gut eignet. Dadurch konnten die Vorteile der bipolaren Transistoren wie auch die große Absorptionszone für den APD Empfänger genutzt werden. Der erste Schritt ist die Entwicklung einer prozesskompatiblen APD, die mit der Schaltung genutzt werden kann. Drei solche APD-Strukturen werden in dieser Arbeit vorgestellt. Die funktionstüchtigen APDs sind dann vermessen worden, um die Eigenschaften der APDs bezüglich Kapazität, Bandbreite, Zusatzrauschen und Multiplikation zu charakterisieren. Für die APDs wurden Schaltungen entwickelt, die die APDs für die Datenübertragung nutzen. Aufgrund der hohen Arbeitsspannung der APD mussten die Entwurfsregeln für das Layout der Schaltung verändert werden, damit es nicht zu unerwünschten Durchbrüchen kommt. Die entworfenen APD Empfänger wurden charakterisiert und mit den PIN Empfängern verglichen. Eine Analyse der APD Empfänger die die optimale Multiplikation und die Sensitivität berechnet, wurde durchgeführt. Die berechneten und die gemessenen Werte wurden verglichen und bestätigen die Analyse der APD Empfänger. Diagramme, die die Abschätzung der möglichen Sensitivität und der optimalen Multiplikationen für die verschiedensten Datenraten der APD Empfänger ermöglichen, sind erstellt worden.

This work focuses on monolithic integrated Avalanche Photo Diode (APD) receivers. The advantage of these receivers are their improved sensitivity compared to standard P-Intrinsic-N Diode (PIN) receivers and their low manufacturing costs due to monolithic integration. For the development, a 0.35 mm Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor (BiCMOS) process was chosen, which is well suited for the development of Optoelectronic Integrated Circuits (OEICs). This allows using the advantages of the bipolar transistors as well as the large absorption zone for the APD receiver. The first step is the development of a process compatible APD, which can be used with the circuit. Three process compatible APD structures are presented in this thesis. The functional APDs are then measured to characterize their properties regarding capacitance, bandwidth, excess noise and multiplication. Circuits for the APDs have been designed, that use the APDs for data transmission. Due to the high working voltage of the APDs, the design rules for the layout of the circuit had to be modified in order to avoid breakdowns in the working region.. The designed APD receivers were characterized and compared with the PIN receivers. An analysis of the APD receiver which calculates the optimal multiplication and the sensitivity was carried out. By comparing the measured with the calculated values for the APD receivers a good accordance was achieved. Graphs that allow estimation of possible sensitivity and optimal multiplications for various data rates of the APD receivers have been created.