PIN与APD介绍.doc

PIN:positive-intrinsic-negative(P型半导体-杂质-N型半导体)
APD:avalanche photodiode(雪崩二极管)
饱与光功率又称饱与光功率即指最大负载。指在一定得传输速率下,维持一定得误码率(10-10～
10-12)时得光模块接收端最大可以探测到得输入光功率。当光探测器在强光照射下会出现光电流饱与现象,当出现此现象后,探测器需要一定得时间恢复,此时接收灵敏度下降,接收到得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,在使用操作中应尽量避免超出其饱与光功率。因此对于发射光功率大得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得时候,输出得光电流将趋于饱与。随着温度得升高,APD得击穿电压VBR也随着上升,如果APD得工作电压(即高压)不变,APD得光电检测性能会变弱,灵敏度降低。
APD得倍增因子代表倍增后得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。),所以说她就是可调得。同时可以瞧到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会急剧增大处于雪崩状态。但此时产生得倍增噪声会远远大于倍增效应带来得好处。因此实际使用中,总就是把反偏电压调到略小于雪崩电压得地方。
APD倍增因子M得计算公式很多,一个常用得公式为 M=1/1-(v/vB)n
式中: n 就是由P-N 结材料决定得常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压得增加值。对于Si 材料,
n =1、 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2、 5～8 。由式中还可瞧出,当| V | →
| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知,同样材料得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
　　光电检测器就是把光信号功率转换成电信号电流得器件。光纤通信使用得就是PIN光电二极管与雪崩光电二极管(APD)。对这些半导体光检测器得基本要求就是:
① 光电转换效率高, ② 噪声低, ③ 响应速度高, ④ 工作电压尽量低, ⑤ 具有良好得温度特性与稳定性, ⑥ 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,基本结构就是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结中间加上得本征半导体层称为Ⅰ层,

图3-25 PIN管工作原理示意图其示意图
　　以展宽耗尽层,提高转换效率。
　　PIN管得灵敏度常以量子效率来表示。量子效率得意义就是一个光子照射在检测器上所产生得电子数。因此, PIN管在光功率P得照射下,产生得光电流为

　　式中,η为量子效率,其数值总就是小于1;e为电子电量,e≈1、6×10－19C。显然η得含义就就是平均一个光子激发得电子数。光电检测器得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管得性能,它代表PIN光电二极管在光照下产生得光电流I与入射得光功率P之比,由式(3-15)即可得出响应度为

　　由上可见,响应度R(与量子效率η)就是描述器件光电转换能力得物理量,它与器件材料、光波长有关。
　　响应速度就是指光电检测器对入射微弱调制光信号产生光电流得响应快慢,通常用响应时间(上升时间与下降时间)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,则以器件得极限工作频率(截止频率)fc来表示。可见响应速度直接关系到器件得频带宽度。就PIN光电二极管而言,为得到较快得响应速度,需要有较窄得耗尽层,以便缩短载流子在电场中得漂移时间,但这与为提高量子效率应有较宽耗尽层得要求有矛盾,因此两者必须兼顾。PIN管得响应速度一般都能满足实际要求。
　　无光照射时, PIN管具有得电流称为暗电流(Id),暗电流会引起噪声,要求尽量小。
　　表3-5列出了PIN光电二极管特性得典型数据。
表3-5 PIN-PD特性得典型值

　　2、 雪崩光电二极管(APD)
　　雪崩光电二极管内部因电子雪崩,具有对微弱得光电流产生放大得作用,即具有倍增特性。因此在电放大之前,恰当地利用APD得倍增作用,可以得到很高得灵敏度。
　　APD光电检测器件结构得基本部分与PIN光电二极管一样,仍就是PN结,不同之处就是在P层与N层中得掺杂量增大,在外加很高得反向偏压(一般为几十～200V)作用下, PN结区形成强电场区,在耗尽层内运动得载流子(一次电子空穴对),就可以在高场作用下获得足够得能量而加速,通过高速碰撞产生新得电子空穴对,这就就是载流子得碰撞电离。新产生得二次电子空穴对在高电场作用下向相反得方向运动,在运动中又不断产生新得碰撞电离……,从而引起载流子得雪崩倍增,形成大得光电流。
　　APD在不同光强照射下得伏安(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P＝0)时,APD得电流非常小,称为暗电流Id。
　　APD得倍增因子M定义为

　　式中Iph就是倍增后得光电流;I与Id分别为倍增后得总电流与暗电流;Iph0就是无倍增时得光电流,即由光子直接产生得平均一次电流;I0与Id0分别为无倍增时得总电流与暗电流。暗电流得大小影响光电检测器得噪声大小。暗电流一般很小,这里可忽略不计。

图3-26 APD得伏安特性
　　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),随后出现增益饱与效应,如图3-27所示。

图3-27 倍增因子与反偏压得关系
　　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、半导体掺杂分布与入射光波长决定。显然通过调整偏压V可获得需要得增益值M,但M值并不就是愈大愈好,因为信增噪声随倍增因子M得增大而增大,结果导致光接收机信噪比恶化,灵敏度降低。M值得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＝1。
　　此外,使用雪崩光电二极管可以提供一定得动态范围,即当进入APD得光功率过强时,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,检测器得信号功率正比于M2(这里得M为平均得雪崩增益值);而倍增噪声功率却正比于M2·F,这里F称为过剩噪声系数,这就是由于倍增过程得随机性引起得附加噪声,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、2～1,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 　　(3-20)
　　APD管脉冲响应上升时间可做到小于1ns; APD得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得要求。
　　表3-6列出了Si、Ge、InGaAs-APD特性得典型数据。
表3-6 APD特性得典型值

　　温度变化对APD得特性特别就是倍增因子M得影响十分严重, 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PIN-PD与APD使用得半导体材料,在0、8～0、9靘得短波长区域内使用Si,Si-PIN与Si-APD工艺成熟、性能优良,雪崩噪声最小,故采用该器件得光接收机灵敏度高,在带宽公里积为1000(Mb/s)·km得情况下得到广泛应用。当工作波长＞1、0μm时,硅得响应度太低,因而不能作为光检测器使用。在1、0～1、6μm得长波长区域内,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得码速范围内具有很好得灵敏度,因而被广泛采用。对于长波长带得APD,主要使用Ge-APD与In-GaAs-APD,二者相比,前者结构简单、工艺成熟,但暗电流与过剩噪声指数大,可用得电流倍增低(10左右),因而接收机灵敏度受到限制;后者性能优良,并适用于整个长波长范围,但制造困难,随着工艺与技术得进步,InGaAs-APD将在长波长接收机中得到愈来愈广泛得应用。
　　一般来说,APD适用于接收灵敏度要求高得长距离传输与高速率通信系统; PIN适用于中、短距离与中、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10～1000Mb/s范围内,使用PIN/FET(1、1～1、6μm)与Si-APD(λ≤1μm)光接收机灵敏度(Pr)得典型值, Pr大体在－60～－30dBm之间,长波长、高码速下得InGaAs-APD得灵敏度可比PIN/FET高7dB以上。图中还同时示出了光发送机得发送功率(PT),在已知码速条件下,收与发功率之差(PT－Pr,dB)就就是收、发间所能允许得最大光损耗值,不论何种原因,若系统损耗超过此值,则意味着BER将大于10－9。关于这方面内容后面将进一步讨论。

图3-28 实用中得光接收机灵敏度与光发送机平均输出功率