CN116825795A - 改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法 - Google Patents

改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法，包括反向串联的第一光电晶体管和第二光电晶体管，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管结构相同，且对称设置，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管均包括依次设置的发射区、基区和集电区；所述第一光电晶体管的发射区和第二光电晶体管的发射区均通过本征层连接至衬底层，所述第一光电晶体管的集电区的自由面设置第一电极，所述第二光电晶体管的集电区的自由面设置第二电极。本发明能够直接输出差分电压信号，用于抑制噪声、提高灵敏度，并且工艺简单、成本低廉。

Description

改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法。
背景技术
由于半导体探测器灵敏度高，响应迅速，体积小，易于集成，因此在光电探测领域应用广泛。基于BJT结构的光电晶体管探测器及雪崩光电二极管探测器在实现增益特性的同时，会带来噪声。
噪声决定了最小可探测信号的强度(灵敏度)，对超弱光信号探测、单光子探测具有重大意义。通常情况下，器件设计需要在低噪声和高增益之间折中考虑。光电晶体管的噪声主要来源于两种可追溯的波动：光子到达率的波动；器件固有的机制，例如产生自由载流子的波动、扩散和复合的波动以及1/f机制等。
差分放大是抑制噪声、放大有用信号通常采用的方法。目前已有的差分光电晶体管结构设计是两个光电晶体管并联，共用一层衬底。而并联设计存在的缺点是需要额外制作滤光屏蔽层，工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构及使用方法，以解决现有技术存在的问题，本发明能够直接输出差分电压信号，用于抑制噪声、提高灵敏度，并且工艺简单、成本低廉。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，包括反向串联的第一光电晶体管和第二光电晶体管，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管结构相同，且对称设置，所述第一光电晶体管和第二光电晶体管均包括依次设置的发射区、基区和集电区；
所述第一光电晶体管的发射区和第二光电晶体管的发射区均通过本征层连接至衬底层，所述第一光电晶体管的集电区的自由面设置第一电极，所述第二光电晶体管的集电区的自由面设置第二电极。
进一步地，当衬底层为N型半导体材料时，所述发射区和集电区采用N型半导体材料，所述基区采用P型半导体材料。
进一步地，所述发射区的N型半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，基区的P型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区的N型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。
进一步地，当衬底层为P型半导体材料层时，所述发射区和集电区采用P型半导体材料，所述基区采用N型半导体材料。
进一步地，所述发射区的P型半导体材料的掺杂浓度1019cm-3，基区的N型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区的P型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。
进一步地，所述衬底层的厚度为30μm到100μm。
进一步地，所述发射区的厚度为基区厚度的2倍，集电区厚度为基区厚度的10～30倍，基区的厚度为1μm。
进一步地，使用时，所述衬底层接地，所述第一电极和第二电极之间接电压输入。
进一步地，所述第一光电晶体管的发射区和第二光电晶体管的发射区之间接电压输出。
改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构的使用方法，第一光电晶体管受到光激发而第二光电晶体管不受光激发，第一光电晶体管的电场方向和第二光电晶体管的电场方向相反，第一光电晶体管中，集电区受到入射光激发产生光生载流子，载流子在电场作用下发生漂移形成光电流，基区中的载流子积累使第一光电晶体管的基极电势上升，导致发射区中的电子大量移向集电区，从而实现放大作用，产生增益，对第一光电晶体管和第二光电晶体管的输出做差分即实现对信号源噪声的消除或抑制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于差分放大思想，利用基于BJT结构的两个结构相同、反向串联的光电晶体管，使第一光电晶体管1受光激发而第二光电晶体管2不受光激发，利用BJT的放大特性使光电流信号得到放大，经过放大的光电流信号再通过高阻层4转化为电压信号，对第一光电晶体管1和第二光电晶体管2的输出做差分即能实现差分电压信号的直接输出，从而有助于抑制或消除信号噪声，提高信噪比。噪声决定了最小可探测信号的强度(灵敏度)，因此该器件结构有助于拓展器件探测下限。
与并联式差分光电晶体管不同，本发明的串联式结构能避免制作滤光屏蔽层，能简化工艺步骤和降低成本。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的一种NPN差分式增益型光电晶体管器件结构示意图；
图2为本发明实施例的一种NPN差分式增益型光电晶体管器件仿真结果图。
其中，1、第一光电晶体管；2、第二光电晶体管；3、衬底层；4、本征层；5、发射区；6、基区；7、集电区；8、第一电极；9、第二电极。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明技术方案进行进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
改善噪声特性的差分式增益型光电晶体管器件结构，包括对称的结构相同的第一光电晶体管1和第二光电晶体管2，二者反向串联，共用同一层衬底层3；第一光电晶体管1和第二光电晶体管2与衬底层3之间采用本征层4(高阻区)进行互联；第一光电晶体管1和第二光电晶体管2均包含发射区5、基区6和集电区7；器件表面制作第一电极8和第二电极9，具体地，所述第一光电晶体管1的发射区5和第二光电晶体管2的发射区5均通过本征层4连接至衬底层3，所述第一光电晶体管1的集电区7的自由面设置第一电极8，所述第二光电晶体管2的集电区7的自由面设置第二电极9。
本实施例中，衬底层3为N型半导体材料，第一晶体管1和第二晶体管2由N型半导体材料(对应发射区5)、P型半导体材料(对应基区6)、N型半导体材料(对应集电区7)组成。
作为优选地实施例，所述衬底层3厚度介于30微米到100微米，能够保证隔绝入射光。
作为优选地实施例，所述发射区5的厚度取基区6的厚度的2倍，集电区7的厚度取基区6的厚度的10倍，基区6厚度取1μm。
作为优选地实施例，所述发射区5的N型半导体材料的掺杂浓度取1019cm-3，比基区6的P型半导体材料的掺杂浓度高2～3个数量级，基区6的P型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，均远高于集电区7的N型半导体材料的掺杂浓度，集电区7的N型半导体材料掺杂浓度取1014cm-3，本征层4的半导体材料的掺杂浓度取1019cm-3，以作为高阻区实现欧姆接触引出电极，功能上充当负载电阻。
实施例二
改善噪声特性的差分式增益型光电晶体管器件结构，包括对称的结构相同的第一光电晶体管1和第二光电晶体管2，二者反向串联，共用同一层衬底层3；第一光电晶体管1和第二光电晶体管2与衬底层3之间采用本征层4(高阻区)进行互联；第一光电晶体管1和第二光电晶体管2均包含发射区5、基区6和集电区7；器件表面制作第一电极8和第二电极9，具体地，所述第一光电晶体管1的发射区5和第二光电晶体管2的发射区5均通过本征层4连接至衬底层3，所述第一光电晶体管1的集电区7的自由面设置第一电极8，所述第二光电晶体管2的集电区7的自由面设置第二电极9。
本实施例中，衬底层3为P型半导体材料，第一晶体管1和第二晶体管2由P型半导体材料(对应发射区5)、N型半导体材料(对应基区6)、P型半导体材料(对应集电区7)组成。
作为优选地实施例，所述衬底层3厚度介于30微米到100微米，能够保证隔绝入射光。
作为优选地实施例，所述发射区5的厚度取基区6的厚度的2倍，集电区7的厚度取基区6的厚度的10倍，基区6厚度取1μm。
作为优选地实施例，所述发射区5的P型半导体材料的掺杂浓度取1019cm-3，比基区6的N型半导体材料的掺杂浓度高2～3个数量级，基区6的N型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，均远高于集电区7的P型半导体材料的掺杂浓度，集电区7的P型半导体材料掺杂浓度取1014cm-3，本征层4的半导体材料的掺杂浓度取1019cm-3，以作为高阻区实现欧姆接触引出电极，功能上充当负载电阻。
实施例三
本发明实施例的差分式光电晶体管器件，其主体结构为两个完全相同的光电晶体管反向串联组成，二者共用一个自支撑衬底层。两个晶体管和衬底层之间采用本征层4进行互联；每个单独的晶体管包含发射区5、基区6、集电区7；器件表面制作第一电极8和第二电极9。
第一光电晶体管1和第二光电晶体管2均工作在反偏放大模式，器件电场强度需要使所述的集电区7的半导体材料全耗尽。
所述衬底层3厚度应在30微米至100微米，以保证入射光无法穿透，确保第一光电晶体管1受到光激发而第二光电晶体管2不受光激发。
为使器件工作，需在电极加电压，使第一光电晶体管1和第二光电晶体管2均在反偏耗尽状态。以图1所示NPN型结构为例，第一光电晶体管1受到光激发而第二光电晶体管2不受光激发，第一光电晶体管1的电场方向由下方指向上方，第二光电晶体管2的电场方向由上方指向下方。第一光电晶体管1中，集电区7受到入射光激发产生光生载流子，载流子在电场作用下发生漂移形成光电流。基区6中的载流子积累使第一光电晶体管1的基极电势上升，导致发射区5中的电子大量移向集电区7，从而实现放大作用，产生增益。对第一光电晶体管1和第二光电晶体管2的输出做差分即可实现对信号源噪声的消除或者说抑制。
所述本征层4的半导体材料掺杂浓度较高，此区域为高阻区，功能上充当了负载电阻，将输出电流信号转变为电压信号。
图2中V(in)即图1中的Vdd(电源电压)，采用正弦波电源信号模拟电源噪声；图2中的V(N003,N004)即图1中的Vout(输出电压)，是双端差分输出电压。仿真结果显示，差分后的电压输出消除了波动，即验证了本发明结构能有效抑制噪声的优良特性。
本器件制作采用同质半导体材料。同质结构可以避免不同材料界面对载流子的影响，制备工艺一致性较好。对于异质结构，不同材料之间工艺融合相对困难，异质结构也会导致界面损耗。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，包括反向串联的第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)，所述第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)结构相同，且对称设置，所述第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)均包括依次设置的发射区(5)、基区(6)和集电区(7)；
所述第一光电晶体管(1)的发射区(5)和第二光电晶体管(2)的发射区(5)均通过本征层(4)连接至衬底层(3)，所述第一光电晶体管(1)的集电区(7)的自由面设置第一电极(8)，所述第二光电晶体管(2)的集电区(7)的自由面设置第二电极(9)。
2.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，当衬底层(3)为N型半导体材料时，所述发射区(5)和集电区(7)采用N型半导体材料，所述基区(6)采用P型半导体材料。
3.根据权利要求2所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述发射区(5)的N型半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，基区(6)的P型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层(4)的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区(7)的N型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。
4.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，当衬底层(3)为P型半导体材料层时，所述发射区(5)和集电区(7)采用P型半导体材料，所述基区(6)采用N型半导体材料。
5.根据权利要求4所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述发射区(5)的P型半导体材料的掺杂浓度1019cm-3，基区(6)的N型半导体材料的掺杂浓度为1016cm-3～1017cm-3，本征层(4)的半导体材料的掺杂浓度为1019cm-3，集电区(7)的P型半导体材料掺杂浓度为1014cm-3。
6.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述衬底层(3)的厚度为30μm到100μm。
7.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述发射区(5)的厚度为基区(6)厚度的2倍，集电区(7)厚度为基区(6)厚度的10～30倍，基区(6)的厚度为1μm。
8.根据权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，使用时，所述衬底层(3)接地，所述第一电极(8)和第二电极(9)之间接电压输入。
9.根据权利要求8所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构，其特征在于，所述第一光电晶体管(1)的发射区(5)和第二光电晶体管(2)的发射区(5)之间接电压输出。
10.权利要求1所述的改善噪声特性的差分式光电晶体管器件结构的使用方法，其特征在于，第一光电晶体管(1)受到光激发而第二光电晶体管(2)不受光激发，第一光电晶体管(1)的电场方向和第二光电晶体管(2)的电场方向相反，第一光电晶体管(1)中，集电区(7)受到入射光激发产生光生载流子，载流子在电场作用下发生漂移形成光电流，基区(6)中的载流子积累使第一光电晶体管(1)的基极电势上升，导致发射区(5)中的电子大量移向集电区(7)，从而实现放大作用，产生增益，对第一光电晶体管(1)和第二光电晶体管(2)的输出做差分即实现对信号源噪声的消除或抑制。
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