Breitbandige meßtechnische Charakterisierung und Modellierung von Sperrschicht-Photodioden für den gezielten rechnergestützten Entwurf von optoelektronischen Breitbanddetektoren:
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Düsseldorf
VDI Verl.
1996
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| adam_text | Titel: Breitbandige meßtechnische Charakterisierung und Modellierung von Sperrschicht-Photodioden für den
Autor: Stolze, Armin
Jahr: 1996
FORTSCHRITTBERICHTE VM Dipl.-Ing. Armin Stolze, Karlsfeld Breitbandige meßtechnische Charakterisierung und Modellierung von Sperrschicht-Photodioden für den gezielten rechnergestützten Entwurf von optoelektronischen Breitbanddetektoren Reihe 9 : Elektronik Nr. 230 VM VERLAG
Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis Liste verwendeter Symbole, Formelzeichen, Abkürzungen und Konstanten VIII 1 Einleitung 1 2 Entwicklung von Groß- und Kleinsignal-Ersatzschaltbildern für unterschiedliche Typen von Photodioden 6 2.1 Zweck der Modellfindung 6 2.2 Verknüpfung von Modelldefinition, Meßtechnik, Extraktion und Verifikation 9 2.3 Modelldefinition zur konsistenten Verknüpfung von Groß- und Kleinsignal-Ersatzschaltbildem 12 2.3.1 Modellvoraussetzungen 12 2.3.2 Definition eines allgemeinen dispersionslosen Großsignal-Ersatzschaltbildes 15 2.3.3 Übergang vom Großsignal- zum Kleinsignal- Ersatzschaltbild 18 2.3.4 Behandlung von Dispersionseffekten 26 2.4 Modell einer PIN-Photodiode 32 2.4.1 Theoretische Grenzfrequenz von PIN-Photodioden 32 2.4.2 Modelldefinition für eine PIN-Photodiode 35 2.5 Modell einer MSM-Photodiode 38 2.5.1 Herstellung und Technologie 3 8 2.5.2 Modelldefinition für eine MSM-Photodiode 41 2.6 Modell einer Avalanche-Photodiode 45 2.6.1 Unterschiedliche Typen von Avalanche-Photodioden 46 2.6.2 Modelldefinition für eine Avalanche-Photodiode 48 3 Meßtechnische Charakterisierung zur Erlangung des DC-Kennlinienfeldes und der Kleinsignal-Kenngrößen 56 3.1 DC-Meßplatz und Messung der Dunkelströme 56 3.2 Bestimmung des arbeitspunktabhängigen Reflexionsfaktors von Photodioden 59 3.3 Erweiterung des Reflexionsfaktormeßplatzes für Avalanche-Photodioden mit hohen Durchbruchspannungen 60 3.4 Mathematische Aufbereitung der Reflexionsfaktormeßdaten 62
VI Inhaltsverzeichnis 3.5 Direkte Kapazitäts- und Leitwertmessung an MSM-Photodioden 3.6 Messung des opto-elektronischen Übertragungsverhaltens 3.6.1 Meßaufbau zur impulsmäßigen Charakterisierung von Photodioden im Kleinsignal-Betriebszustand 3.6.2 Erzeugung von Pikosekunden Laserimpulsen mit einem Doppel-Heterostruktur-AlGaAs-Injektionslaser 3.6.3 Gegenüberstellung von optischen Impulsmeßmethoden und optisch modulierten Meßverfahren 4 Meßergebnisse und Extraktion der Ersatzschaltbild-Parameter 4.1 Untersuchung unterschiedlicher Extraktionsalgorithmen 4.1.1 Überblick und Untersuchungsmethoden 4.1.2 Least-pth-Optimierung 4.1.3 Simplex 4.1.4 Simplex mit Neuinitialisierung 4.1.5 Multi-Bias- Verfahren 4.1.6 Vergleich der Extraktionsergebnisse 4.2 PIN-Photodiode 4.2.1 Diskussion der gemessenen DC-Charakteristik 4.2.2 Diskussion der HF-Messung und Extraktion der Modellelemente des Kleinsignal-Ersatzschaltbildes 4.3 MSM(Metal-Semiconductor-Metal)-Photodiode 4.3.1 Diskussion der gemessenen DC-Charakteristik 4.3.2 Diskussion der HF-Messung und Extraktion der Modellelemente des Kleinsignal-Ersatzschaltbildes 4.3.3 Indirekte Bestimmung der inneren Stromverstärkung a HF und der Verzögerungszeit aus den Reflexionsfaktormessungen 4.4 Avalanche-Photodiode 4.4.1 Diskussion der gemessenen DC-Charakteristik 4.4.2 Temperaturabhängigkeit der Durchbruchspannung 4.4.3 Diskussion der HF-Messung und Extraktion der Modellelemente des Kleinsignal-Ersatzschaltbildes 66 67 67 71 73 77 77 77 82 82 83 92 93 95 95 98 104 104 107 116 123 123 126 127
Inhaltsverzeichnis VII 5 Verifikation der Modelle auf Bauelementebene 144 5.1 Diskussion der Ergebnisse der direkten Kapazitätsund Leitwertmessung 144 5.2 Implementierung des MSM-Photodiodenmodells in das Microwave Design System 147 5.3 Gegenüberstellung von Simulation und Messung 151 5.4 Frequenzabhängige Berechnung der inneren Ersatzschaltbildelemente G„ und C 0 155 6 Verifikation der Modelle auf Komponentenebene und Anwendungsmöglichkeiten 157 6.1 Verstärker für eine MSM-Photodiode 157 6.2 Photodetektorkopf für das Pulslaserradarsystem mit amplitudenabhängiger Zeitkorrektur 159 6.3 Simulation von opto-elektronischen Mischern 163 7 Zusammenfassung 165 A Anhang 169 A.l Herleitung des theoretischen Frequenzganges von PIN-Photodioden 169 A.2 Herleitung des theoretischen Frequenzganges von MSM-Photodioden 180 A.3 Programm zur Berechnung der idealen Impulsantwort von Avalanche-Photodioden 184 Literaturverzeichnis 185
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