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控制与算法 ★ 4.0

基于贝叶斯优化的具有目标击穿电压的硅雪崩光电二极管设计与优化

Design and Optimization of Silicon Avalanche Photodiodes With Desired Breakdown Voltage Using Bayesian Optimization

作者 Sara Ghazvini · Gerd Schuppener · Wenjuan Fan · Srinath Ramaswamy · William G. Vandenberghe
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 控制与算法
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 雪崩光电二极管 贝叶斯优化 优化方法 击穿电压 性能指标
语言:

中文摘要

在本研究中,我们引入了一种创新的优化方法,用于雪崩光电二极管(APD)的设计与优化,该方法结合了解析计算、贝叶斯优化(BO)和技术计算机辅助设计(TCAD)模拟。待优化的参数包括 p 区和 i 区的厚度及掺杂浓度。我们的方法旨在使 APD 满足特定的击穿电压(BV)要求,同时实现卓越的性能特征,如增益、响应度和带宽。通过贝叶斯优化,我们能够高效地探索设计空间,以确定最优配置。与以往的研究相比,优化后的 APD 性能得到了提升,在具备所需击穿电压的同时,拥有更高的响应度、增益和截止频率。优化过程成功设计出击穿电压范围在 30 至 50 V 的 APD,在光子波长为 650 nm、光强为 0.1 W/cm² 的条件下,实现了 100 的增益、0.29 A/W 的响应度以及超过 0.9 GHz 的出色截止频率,且击穿电压误差相对于目标值小于 0.5 V。这种方法证明了贝叶斯优化在为特定应用优化 APD 方面的有效性,解决了平衡多个性能指标以及满足目标击穿电压要求的难题。

English Abstract

In this study, we introduce an innovative optimization methodology for the design and optimization of avalanche photodiodes (APDs) using analytical calculations, Bayesian optimization (BO), and technology computer-aided design (TCAD) simulations. The parameters under optimization include the thickness and doping concentration of the p and i regions. Our approach aims to tailor APDs to specific breakdown voltage (BV) requirements while achieving superior performance characteristics, such as gain, responsivity, and bandwidth. Through BO, we efficiently explore the design space to identify optimal configurations. The optimized APDs exhibit enhanced performance compared to previous studies, with superior responsivity, gain, and cutoff frequency while having the desired BV. The optimization process successfully designs APDs with BVs ranging from 30 to 50 V, achieving gains of 100, responsivities of 0.29 A/W, and impressive cutoff frequencies exceeding 0.9 GHz for a photon wavelength of 650 nm and an intensity of 0.1 W/cm2 with the BV error less than 0.5 V relative to the target value. This approach demonstrates the effectiveness of BO in optimizing APDs for specific applications, addressing the challenges of balancing multiple performance metrics and meeting targeted BV requirements.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的雪崩光电二极管(APD)优化设计方法具有一定的技术参考价值,但与核心业务的直接关联度有限。

**技术关联性分析**

雪崩光电二极管主要应用于光通信和光探测领域,而阳光电源的主营业务集中在功率电子和能源转换系统。尽管如此,该研究中采用的**贝叶斯优化方法**和**TCAD仿真技术**对我们具有重要的方法论借鉴意义。这种多参数协同优化的思路可应用于光伏逆变器中IGBT/SiC功率器件的设计优化,特别是在平衡击穿电压、导通损耗、开关速度等多目标性能指标时。

**潜在应用场景**

在储能系统的电池管理系统(BMS)中,高精度光学传感可用于电池状态监测和安全预警。优化后的APD具备的高响应度(0.29 A/W)和高增益特性,可能应用于分布式光纤传感系统,实现大规模储能电站的温度和应力实时监测。此外,该技术在光伏组件的电致发光(EL)检测设备中也有潜在应用价值。

**技术成熟度评估**

论文展示的是器件级优化方法,距离工程化应用尚有距离。贝叶斯优化算法虽然高效,但需要与实际工艺能力相匹配。对阳光电源而言,更直接的价值在于将这种智能优化方法论迁移到现有功率半导体器件的设计流程中,提升碳化硅MOSFET等核心器件的性能参数匹配精度,从而增强逆变器和储能变流器的系统效率和可靠性。