PIN和APD介绍

1、PIN:positive-intrinsic-negative （P 型半导体杂质収 型半导体） APD:avalanche photodiode （雪崩二极管）Cl放的T作二宀 £、Coax!洪 pxU Wf饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。指在 一定的传输速率卜'，维持一逛的谋码率（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。当光探测器任強光照射卜会出现光电流饱 和现轨为也现此现象后.探测器需要一定的时间恢如 此时接收灵敏度卜降，接收到的信号有可能出现误判而 造成保码现象.而且还非常容易损坏接收端探测器.任 使用操作中应尽S避免超出其饱和光

2、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 岀现误码现象。当APD输入光功率达到一左强 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Vox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的倍增丙子代表倍増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雪朋光电二极管还存在一个雪朋电压（击穿电压）% 当反偏电 压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。但此

3、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。是111 P-X结材料决定的常数；V B为理想反向偏压；V为反向偏压的 对于Si材料，4 ;对于Ge材料n = 2. 58 °山式中还可看肚当I V丨- 时，M - 8, P-N结将发生雪崩击穿。APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=l/l-（v/vB）n 式中：n 增加值。n =1. 5i V B i由公式可知，同样材料的APD管，同样偏這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器件。光纤通信使用的是PIX光电二

4、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S低，具有良好 的温度特性和稳定性，寿命长。LPIN 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PX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PX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。*0*a压P空穴I 电于光电流在PN结中间加上的本征半导体层称为I层，T-屉丨十rI 丄图3-25 PIN管工作原理示意图尖示意图以

5、展宽耗尽层，提高转换效率。PINtf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，PIX管在光功率P的照射下，产生的光电流为(3-15)式中，n为量子效率，其数值总是小于1： e为电子电量，el.6X10-19Co显然q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<3-16>由上可见，响应度R （和量子效率n）是描述器件光电转换能力的物理量，它打器件材 料、光波长有

6、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PIX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，但这打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光电二极管特性的典型数据。表3-5

7、PIN-PD特性的典型值材料SiInGaAs响应液长2 < P- m>0.7 119LCIL6量子效率q <%)SO (0,8 P m)SO (1.3 um)响应度R (.AfW)0.5 (O.SPm)O.S <1.3Pm)暗电流fd ( nA)0.11截止频率； (GHz)>0 3>12.雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管内部因电子雪崩，具有对微弱的光电流产生放大的作用，即具有倍增特 性。因此在电放大之前，恰当地利用APD的倍增作用，可以得到很高的灵敏度。APD光电检测器件结构的基本部分与PIX光电二极管一样，仍是PN结，不同之处是在P 层和X层中的掺

8、杂量增大，在外加很高的反向偏压(一般为几十200V作用下，PX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-D特性曲线如图3-26所示。图中VB称为雪朋电压。 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P=0)时，APD的电流非常小，称为暗电流Id。(3-17)A

9、PD的倍增因子M定义为J h -式中Iph是借增后的光电流：I和Id分别为倍增后的总电流和暗电流：IphO是无倍增 时的光电流，即由光子直接产生的平均一次电流；10和IdO分别为无倍增时的总电流和暗 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¥B时迅速增大，当V=VB时M值达最大(Mraax), 随后出现增益饱和效应，如图3-27所示。VJ n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M=-(3-18)i-frT就丿式中n为一常数，由半导体材料、半导体掺杂分布和入射光波长

10、决定。显然通过调整偏 压V可获得需要的增益值吐但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。实用中常取值在几十至一百之间。PIN光电管无雪崩倍增，故M=lo此外，使用雪朋光电二极管可以提供一泄的动态范圉，即当进入APD的光功率过强时, 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血(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

11、，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X8M2+x (3-20)APD管脉冲响应上升时间可做到小于Ins： 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36 APD特性的典型值材料SiGftInGe 盘 5响应波长亠c”0.7 091XI1 51XI16童于效率Q)20 (08口 m)SO CL3ixm)8

12、0 CL3ixm)响应度R CAZW)0.50,80,8击穿电压 (V)1303095暗电流3 nA)(对应干091)0.310060截止频率£ CGHz)0.5>1>1过剩噪芦系数片495过剩噪声指数;r (尸=肿)0.309507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值随温度升高而降低， 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。关于PIX-PD和APD使用的半导体材料，在0. 8-0. 9匏的短波长区域内使用Si, Si-PIN 和Si-APD工艺成熟、性能优良，雪崩噪声最小,故采用该器件的光接收机灵敏度高，在带 宽公里积为

13、1000 (Mb/s) - km的情况下得到广泛应用。当工作波长L0p m时，硅的响应 度太低，因而不能作为光检测器使用。在1.01.6U m的长波长区域内，PIN管使用InGaAs 材料，InGaAs-PIX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、温度稳世性好，在数百的码速范囤内 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(10 左右)，因而接收机灵敏度受到限制；后者性能优良，井

14、适用于整个长波长范用，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。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：PIN适用于 中、短距离和中、低速率系统，尤以PIN/FET组件使用广泛。图3-28示出误码率BER=10-9时，码速率在101000Mb, s范围内，使用PIN/FET( 1. 1 1.6ura)和Si-APD ( X W1 Pm)光接收机灵敏度(Pr)的典型值，Pr大体在一60一30dBin 之间，长波长、高码速下的InGaAs-APD的灵敏度可比PIN/FET高7dB以上。图中还同时示 出了光发送机的发送功率(PT)