接地漏电检示器

中文名称

接地漏电检示器

英文名称

earth leakage detector

定　　义

用于检示对地泄漏电流的仪表。

应用学科

机械工程（一级学科），电测量仪器仪表（二级学科），电测量器具和设备（三级学科）

光电探测器位于光接收机的最前端，其参数直接影响着光接收机的整体性能。目前在标准 CMOS 工艺中实现的探测器主要基于 pn 结和肖特基结，常用结构有 n /p-sub 二极管、n-well/p-sub 二极管、 p /n-well/p-sub 双光电二极管、空间调制光探测器、 MSM 光电探测器及光电晶体管。最简单的光电探测器是反向偏置的 n /p-sub 二极管，如图 1(a)所示[7]。由于 n 结浅，耗尽区窄，因而对光生载流子的收集效率低。为了提高响应度，可以采用如图 2(b)所示的n-well/p-sub 二极管[7,8]。与图 2(a)相比， pn 结更深、耗尽区更宽，因而有利于光生载流子的收集。

上述 pn 结探测器虽然结构简单， 但在衬底深处产生的光生载流子需扩散到探测器电极，因而在脉冲响应中引入拖尾，限制了探测器的响应速度。为了消除拖尾效应，文献[9,10]提出了利用 p /n-well/p-sub 结构的双光电二极管，如图 3 所示。其中，叉指型 p 区与 n 阱形成工作二极管， n 阱与 p 衬底形成屏蔽二极管。当探测器处于工作状态时，工作二极管和屏蔽二极管均处于反偏状态，因而在衬底深处产生的慢扩散光生载流子被屏蔽二极管吸收，从而消除了衬底慢扩散载流子对工作二极管响应速度的限制。此外，该结构还利用叉指型 p 区使工作二极管的耗尽区最大化，有利于光生载流子收集，进一步提高了光电探测器的速度和响应度。 2007 年， Yu C L 等人[11]采用 CSMC 0.6μ m CMOS 工艺，制备了面积为40μm× 40μm的双光电二极管，测试结果表明， -3dB 带宽可达 1.1GHz，然而，响应度偏低，仅为0.04A/W。

另一种缓解慢扩散载流子效应的结构是空间调制光(Spatially-Modulated Light, SML)探测器 [12-14]。它由受光的瞬时二极管和屏蔽光的延迟二极管构成，利用二者的光电流响应差来消除衬底深处产生的慢扩散载流子效应，从而提高光电探测器的物理带宽和速度，其基本结构如图 3 所示。其中， n-well 与 p 衬底构成瞬时二极管，而标准 CMOS 工艺中的 M2 与n-well/p-sub 一起构成延迟二极管。通过版图布局的网格化设计，可获得的-3dB 带宽最大可达 1.1GHz，比传统 n-well/p-sub 二极管的带宽提高了两个数量级。

虽然基于 pn 结二极管的光电探测器取得了较高的带宽，但带宽的提高是以牺牲响应度为代价的。在某些高灵敏度应用场合下，探测器的响应度可能更为重要。文献[7]提出了一种基于标准 CMOS 工艺的寄生光电晶体管作为光接收机的探测器，如图 4 所示。当 p 型基区空置，深 n 阱集电区与 n 发射区正向偏置时，在基区内产生的光生载流子被晶体管放大，因而可实现高灵敏度探测。 基于 65nm CMOS 工艺制备的 npn 光电晶体管的直流响应度可达0.34A/W[7]，不幸的是，带宽仅为 0.15MHz。这是因为光电晶体管是 CMOS 工艺中的寄生器件，基区较厚且掺杂剖面未经优化造成的。

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