PIN和APD介绍

1、P I N : p o s i t i v e - i n t r i n s i c - n e g a t i v e （ P 型 半 导 体 - 杂 质 - N型 半 导 体 ）APD:avalanche photodiode （雪崩二极管）饱和光功率 又称饱和光功率 即指最大负载。指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10 10-12 ）时的 光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。当 光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象， 当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应

2、尽量避免超出其饱和光功率。因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。随着温度的升高， APD的击穿电压 VBR也随着上升，如果 APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。APD 的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。如图：由图可知，倍增因子 M 与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M 越大。理论上反偏电压接近击穿电压时，M 趋于无穷大。），所以说他是可调的。同时可以看到APD 雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）VB。当反偏电压大于击穿电压时，M 会急剧增大处于

3、雪崩状态。但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。APD倍增因子 M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中 : n是由 P-N 结材料决定的 常数 ; V B为理想反向 偏压 ; V 为反向偏压的增加值 。对于 Si 材料 ,n =1. 5 4 ;对于 Ge 材料 n = 2. 5 8。由式中还可看出 , 当| V |VB|时, M , P -N 结将发生 雪崩击穿 。由公式可知，同样材料的APD 管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的

4、器件。光纤通信使用的是PIN 光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。对这些半导体光检测器的基本要求是： 光电转换效率高， 噪声低， 响应速度高， 工作电压尽量低， 具有良好的温度特性和稳定性， 寿命长。1.PIN 光电二极管（PIN-PD）如图 3-25 所示，它工作于反偏压。器件由P、I、N 三层组成，基本结构是PN 结。如果在 PN 结上加反向电压，在结上形成耗尽层，当光入射到 PN 结上时，产生许多电子空穴对，在电场作用下产生位移电流， 如果两端加上负载阻抗就有电流流过， 常称这种电流为光电流，光信号就转变成电信号。在 PN 结中间加上的本征半导体层称为层，图 3-25 PIN 管工作原

5、理示意图其示意图以展宽耗尽层，提高转换效率。PIN 管的灵敏度常以量子效率来表示。 量子效率的意义是一个光子照射在检测器上所产生的电子数。因此， PIN 管在光功率 P 的照射下，产生的光电流为式中，为量子效率，其数值总是小于 1；e 为电子电量， e 1.6 10 19C。显然的含义就是平均一个光子激发的电子数。光电检测器的量子效率与器件材料、光波长有关。通常也采用响应度 R 表示 PIN 管的性能， 它代表 PIN 光电二极管在光照下产生的光电流 I 与入射的光功率 P 之比，由式（ 3-15）即可得出响应度为由上可见，响应度 R（和量子效率）是描述器件光电转换能力的物理量，它与器件材料、

6、光波长有关。响应速度是指光电检测器对入射微弱调制光信号产生光电流的响应快慢， 通常用响应时间（上升时间和下降时间） 来描述。 若从频域观点， 当光电检测器在接收正弦调制光信号时，则以器件的极限工作频率 （截止频率） fc 来表示。可见响应速度直接关系到器件的频带宽度。就 PIN 光电二极管而言， 为得到较快的响应速度， 需要有较窄的耗尽层， 以便缩短载流子在电场中的漂移时间， 但这与为提高量子效率应有较宽耗尽层的要求有矛盾， 因此两者必须兼顾。 PIN 管的响应速度一般都能满足实际要求。无光照射时，PIN 管具有的电流称为暗电流（Id），暗电流会引起噪声，要求尽量小。表 3-5 列出了 PIN

7、 光电二极管特性的典型数据。表 3-5 PIN-PD特性的典型值2. 雪崩光电二极管（APD）雪崩光电二极管内部因电子雪崩，性。因此在电放大之前，恰当地利用具有对微弱的光电流产生放大的作用，APD的倍增作用，可以得到很高的灵敏度。即具有倍增特APD 光电检测器件结构的基本部分与 PIN 光电二极管一样，仍是 P 层和 N 层中的掺杂量增大，在外加很高的反向偏压（一般为几十PN 结，不同之处是在200V）作用下，PN 结区形成强电场区，在耗尽层内运动的载流子（一次电子空穴对） ，就可以在高场作用下获得足够的能量而加速， 通过高速碰撞产生新的电子空穴对， 这就是载流子的碰撞电离。 新产生的二次电子

8、空穴对在高电场作用下向相反的方向运动，在运动中又不断产生新的碰撞电离 ，从而引起载流子的雪崩倍增，形成大的光电流。APD 在不同光强照射下的伏安（ V-I）特性曲线如图 3-26 所示。图中 VB 称为雪崩电压。在 APD 上加上反偏压 V 大于 VB 时，便要击穿。一般应在 V 略小于 VB 状态下使用。当无光照（即输入光功率 P0 ）时， APD 的电流非常小，称为暗电流 Id。APD 的倍增因子M 定义为式中 Iph 是倍增后的光电流； I 和 Id 分别为倍增后的总电流和暗电流； Iph0 是无倍增时的光电流， 即由光子直接产生的平均一次电流； I0 和 Id0 分别为无倍增时的总电流

9、和暗电流。暗电流的大小影响光电检测器的噪声大小。暗电流一般很小，这里可忽略不计。图 3-26 APD 的伏安特性倍增因子 M 随外加反偏压V 接近击穿电压VB 时迅速增大，当V VB 时 M 值达最大（Mmax ），随后出现增益饱和效应，如图3-27 所示。图 3-27 倍增因子与反偏压的关系两者关系可以近似用下式表示式中 n 为一常数， 由半导体材料、 半导体掺杂分布和入射光波长决定。显然通过调整偏压 V 可获得需要的增益值M，但 M 值并不是愈大愈好，因为信增噪声随倍增因子M 的增大而增大，结果导致光接收机信噪比恶化，灵敏度降低。M 值的选取应使倍噪比最大值为最佳倍增因子。实用中常取值在几

10、十至一百之间。PIN 光电管无雪崩倍增，故M 1。此外，使用雪崩光电二极管可以提供一定的动态范围，即当进入可以通过降低其偏压使M 值减小，反之光功率较弱时，可提高偏压使APD 的光功率过强时，M 值增大。当光接收端机采用 APD 做光检测器时，检测器的信号功率正比于 M2 （这里的 M 为平均的雪崩增益值） ；而倍增噪声功率却正比于 M2 F，这里 F 称为过剩噪声系数，这是由于倍增过程的随机性引起的附加噪声，一般情况下（ M 100， F 可近似表示为F Mx（3-19）式中 x 称为过剩噪声指数， x 0.21，与材料与工艺等有关。因此倍增噪声功率可用过剩噪声指数 x 近似描述N M2 x

11、（ 3-20）APD 管脉冲响应上升时间可做到小于1ns；APD的增益带宽乘积可做到；Si 管为200GHz， Ge 管为 30GHz， InGaAs 管为 60GHz。可以满足高速率传输系统的要求。表 3-6 列出了 Si、Ge、 InGaAs-APD特性的典型数据。表 3-6 APD 特性的典型值温度变化对 APD 的特性特别是倍增因子 M 的影响十分严重， M 为此需要相应地改变偏压值，故实际应用中须采用自动控制温度补偿措施。值随温度升高而降低，关于PIN-PD和APD 使用的半导体材料，在0.80.9靘的短波长区域内使用Si， Si-PIN和 Si-APD工艺成熟、性能优良，雪崩噪声最

12、小，故采用该器件的光接收机灵敏度高，在带宽公里积为1000（ Mb/s ）km 的情况下得到广泛应用。当工作波长1.0m 时，硅的响应度太低，因而不能作为光检测器使用。在1.0 1.6 m 的长波长区域内，PIN 管使用 InGaAs材料， InGaAs-PIN工艺成熟，性能优良，它常与场效应管（FET）前置放大器构成集成接收组件， PIN/FET组件与 APD 比较，简单、价廉、温度稳定性好，在数百Mb/s 的码速范围内具有很好的灵敏度， 因而被广泛采用。 对于长波长带的APD，主要使用 Ge-APD和 In-GaAs-APD，二者相比，前者结构简单、工艺成熟，但暗电流和过剩噪声指数大，可用的电流倍增低（左右），因而接收机灵敏度受到限制；后者性能优良，并适用于整个长波长范围，但制造困难，随着工艺和技术的进步， InGaAs-APD将在长波长接收机中得到愈来愈广泛的应用。10一般来说， APD 适用于接收灵敏度要求高的长距离传输和高速率通信系统；于中、短距离和中、低速率系统，尤以 PIN/FET组件使用广泛。PIN 适用图 3-28 示出误码率 BER 10 9 时，码速率在 10 1000Mb/s 范围内，使用 PIN/FET（1.11.6m）和 Si-APD（ 1 m）光接收机灵敏度 （ Pr）的典型值，P