PIN和APD介紹

1、PIN:positive-intrinsic-negative（P型半導(dǎo)體-雜質(zhì)-N型半導(dǎo)體）APD:avalanche photodiode（雪崩二極管）飽和光功率又稱飽和光功率即指最大負(fù)載。指在一定的傳輸速率下，維持一定的誤碼率（10-1010-12）時(shí)的光模塊接收端最大可以探測(cè)到的輸入光功率。當(dāng)光探測(cè)器在強(qiáng)光照射下會(huì)出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測(cè)器需要一定的時(shí)間恢復(fù)，此時(shí)接收靈敏度下降，接收到的信號(hào)有可能出現(xiàn)誤判而造成誤碼現(xiàn)象，而且還非常容易損壞接收端探測(cè)器，在使用操作中應(yīng)盡量避免超出其飽和光功率。因此對(duì)于發(fā)射光功率大的光模塊不加衰減回環(huán)測(cè)試會(huì)出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。當(dāng)APD輸入光功率達(dá)

2、到一定強(qiáng)度的時(shí)候，輸出的光電流將趨于飽和。隨著溫度的升高，APD的擊穿電壓VBR也隨著上升，如果APD的工作電壓（即高壓）不變，APD的光電檢測(cè)性能會(huì)變?nèi)?，靈敏度降低。APD的倍增因子代表倍增后的光電流與首次光電流之比。如圖：由圖可知，倍增因子M與反向偏置電壓有關(guān)（反偏電壓越大，斜率越大，M越大。理論上反偏電壓接近擊穿電壓時(shí)，M趨于無窮大。），所以說他是可調(diào)的。同時(shí)可以看到APD雪崩光電二極管還存在一個(gè)雪崩電壓（擊穿電壓）VB。當(dāng)反偏電壓大于擊穿電壓時(shí)，M會(huì)急劇增大處于雪崩狀態(tài)。但此時(shí)產(chǎn)生的倍增噪聲會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于倍增效應(yīng)帶來的好處。因此實(shí)際使用中，總是把反偏電壓調(diào)到略小于雪崩電壓的地方。APD倍增

3、因子M的計(jì)算公式很多，一個(gè)常用的公式為 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 結(jié)材料決定的常數(shù); V B 為理想反向偏壓; V 為反向偏壓的增加值。對(duì)于Si 材料,n =1. 5 4 ;對(duì)于Ge 材料n = 2. 58 。由式中還可看出,當(dāng)| V | | V B | 時(shí), M , P-N結(jié)將發(fā)生雪崩擊穿。由公式可知，同樣材料的APD管，同樣偏置電壓情況下，擊穿電壓越大，倍增因子越小。三、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是把光信號(hào)功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電流的器件。光纖通信使用的是PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。對(duì)這些半導(dǎo)體光檢測(cè)器的基本要求是： 光電轉(zhuǎn)換效率高， 噪聲低， 響應(yīng)速度高， 工

4、作電壓盡量低， 具有良好的溫度特性和穩(wěn)定性， 壽命長(zhǎng)。1.PIN光電二極管（PIN-PD）如圖3-25所示，它工作于反偏壓。器件由P、I、N三層組成，基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)。如果在PN結(jié)上加反向電壓，在結(jié)上形成耗盡層，當(dāng)光入射到PN結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生許多電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移電流，如果兩端加上負(fù)載阻抗就有電流流過，常稱這種電流為光電流，光信號(hào)就轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。在PN結(jié)中間加上的本征半導(dǎo)體層稱為層，圖3-25 PIN管工作原理示意圖其示意圖 以展寬耗盡層，提高轉(zhuǎn)換效率。PIN管的靈敏度常以量子效率來表示。量子效率的意義是一個(gè)光子照射在檢測(cè)器上所產(chǎn)生的電子數(shù)。因此， PIN管在光功率P的照射下，產(chǎn)生的

5、光電流為 式中，為量子效率，其數(shù)值總是小于1；e為電子電量，e1.61019C。顯然的含義就是平均一個(gè)光子激發(fā)的電子數(shù)。光電檢測(cè)器的量子效率與器件材料、光波長(zhǎng)有關(guān)。通常也采用響應(yīng)度R表示PIN管的性能，它代表PIN光電二極管在光照下產(chǎn)生的光電流I與入射的光功率P之比，由式（3-15）即可得出響應(yīng)度為 由上可見，響應(yīng)度R（和量子效率）是描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量，它與器件材料、光波長(zhǎng)有關(guān)。響應(yīng)速度是指光電檢測(cè)器對(duì)入射微弱調(diào)制光信號(hào)產(chǎn)生光電流的響應(yīng)快慢，通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來描述。若從頻域觀點(diǎn)，當(dāng)光電檢測(cè)器在接收正弦調(diào)制光信號(hào)時(shí)，則以器件的極限工作頻率（截止頻率）fc來表示?？梢?/p>

6、響應(yīng)速度直接關(guān)系到器件的頻帶寬度。就PIN光電二極管而言，為得到較快的響應(yīng)速度，需要有較窄的耗盡層，以便縮短載流子在電場(chǎng)中的漂移時(shí)間，但這與為提高量子效率應(yīng)有較寬耗盡層的要求有矛盾，因此兩者必須兼顧。PIN管的響應(yīng)速度一般都能滿足實(shí)際要求。無光照射時(shí)， PIN管具有的電流稱為暗電流（Id），暗電流會(huì)引起噪聲，要求盡量小。表3-5列出了PIN光電二極管特性的典型數(shù)據(jù)。表3-5 PIN-PD特性的典型值 2. 雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管內(nèi)部因電子雪崩，具有對(duì)微弱的光電流產(chǎn)生放大的作用，即具有倍增特性。因此在電放大之前，恰當(dāng)?shù)乩肁PD的倍增作用，可以得到很高的靈敏度。APD光電檢測(cè)器件

7、結(jié)構(gòu)的基本部分與PIN光電二極管一樣，仍是PN結(jié)，不同之處是在P層和N層中的摻雜量增大，在外加很高的反向偏壓（一般為幾十200V）作用下， PN結(jié)區(qū)形成強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，在耗盡層內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子（一次電子空穴對(duì)），就可以在高場(chǎng)作用下獲得足夠的能量而加速，通過高速碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，這就是載流子的碰撞電離。新產(chǎn)生的二次電子空穴對(duì)在高電場(chǎng)作用下向相反的方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中又不斷產(chǎn)生新的碰撞電離，從而引起載流子的雪崩倍增，形成大的光電流。APD在不同光強(qiáng)照射下的伏安（V-I）特性曲線如圖3-26所示。圖中VB稱為雪崩電壓。在APD上加上反偏壓V大于VB時(shí)，便要擊穿。一般應(yīng)在V略小于VB狀態(tài)下使用。當(dāng)無光照（

8、即輸入光功率P0）時(shí)，APD的電流非常小，稱為暗電流Id。APD的倍增因子M定義為 式中Iph是倍增后的光電流；I和Id分別為倍增后的總電流和暗電流；Iph0是無倍增時(shí)的光電流，即由光子直接產(chǎn)生的平均一次電流；I0和Id0分別為無倍增時(shí)的總電流和暗電流。暗電流的大小影響光電檢測(cè)器的噪聲大小。暗電流一般很小，這里可忽略不計(jì)。圖3-26 APD的伏安特性倍增因子M隨外加反偏壓V接近擊穿電壓VB時(shí)迅速增大，當(dāng)VVB時(shí)M值達(dá)最大（Mmax），隨后出現(xiàn)增益飽和效應(yīng)，如圖3-27所示。圖3-27 倍增因子與反偏壓的關(guān)系 兩者關(guān)系可以近似用下式表示 式中n為一常數(shù)，由半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體摻雜分布和入射光波長(zhǎng)決

9、定。顯然通過調(diào)整偏壓V可獲得需要的增益值M，但M值并不是愈大愈好，因?yàn)樾旁鲈肼曤S倍增因子M的增大而增大，結(jié)果導(dǎo)致光接收機(jī)信噪比惡化，靈敏度降低。M值的選取應(yīng)使倍噪比最大值為最佳倍增因子。實(shí)用中常取值在幾十至一百之間。PIN光電管無雪崩倍增，故M1。此外，使用雪崩光電二極管可以提供一定的動(dòng)態(tài)范圍，即當(dāng)進(jìn)入APD的光功率過強(qiáng)時(shí)，可以通過降低其偏壓使M值減小，反之光功率較弱時(shí)，可提高偏壓使M值增大。當(dāng)光接收端機(jī)采用APD做光檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器的信號(hào)功率正比于M2（這里的M為平均的雪崩增益值）；而倍增噪聲功率卻正比于M2F，這里F稱為過剩噪聲系數(shù)，這是由于倍增過程的隨機(jī)性引起的附加噪聲，一般情況下（M1

10、00，F(xiàn)可近似表示為FMx （3-19）式中x稱為過剩噪聲指數(shù)，x0.21，與材料與工藝等有關(guān)。因此倍增噪聲功率可用過剩噪聲指數(shù)x近似描述NM2x （3-20）APD管脈沖響應(yīng)上升時(shí)間可做到小于1ns； APD的增益帶寬乘積可做到； Si管為200GHz，Ge管為30GHz，InGaAs管為60GHz?？梢詽M足高速率傳輸系統(tǒng)的要求。表3-6列出了Si、Ge、InGaAs-APD特性的典型數(shù)據(jù)。表3-6 APD特性的典型值溫度變化對(duì)APD的特性特別是倍增因子M的影響十分嚴(yán)重， M值隨溫度升高而降低，為此需要相應(yīng)地改變偏壓值，故實(shí)際應(yīng)用中須采用自動(dòng)控制溫度補(bǔ)償措施。關(guān)于PIN-PD和APD使用的半

11、導(dǎo)體材料，在0.80.9靘的短波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)使用Si，Si-PIN和Si-APD工藝成熟、性能優(yōu)良，雪崩噪聲最小，故采用該器件的光接收機(jī)靈敏度高，在帶寬公里積為1000（Mb/s）km的情況下得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)工作波長(zhǎng)1.0m時(shí)，硅的響應(yīng)度太低，因而不能作為光檢測(cè)器使用。在1.01.6m的長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，PIN管使用InGaAs材料，InGaAs-PIN工藝成熟，性能優(yōu)良，它常與場(chǎng)效應(yīng)管（FET）前置放大器構(gòu)成集成接收組件，PIN/FET組件與APD比較，簡(jiǎn)單、價(jià)廉、溫度穩(wěn)定性好，在數(shù)百M(fèi)b/s的碼速范圍內(nèi)具有很好的靈敏度，因而被廣泛采用。對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)帶的APD，主要使用Ge-APD和In-GaAs-APD，二者相比，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟，但暗電流和過剩噪聲指數(shù)大，可用的電流倍增低（10左右），因而接收機(jī)靈敏度受到限制；后者性能優(yōu)良，并適用于整個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍，但制造困難，隨著工藝和技術(shù)的進(jìn)步，InGaAs-APD將在長(zhǎng)波長(zhǎng)接收機(jī)中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。一般來說，APD適用于接收靈敏度要求高的長(zhǎng)距離傳輸和高速率通信系統(tǒng)； PIN適用于中、短距離和中、低速率系統(tǒng)，尤以PIN/FET組件使用廣泛。圖3-28示出誤碼率BER109時(shí)，碼速率在101000Mb/s范圍內(nèi)，使用PIN/FET（1.11.6m）和Si-APD（1m）光接收機(jī)靈敏度（Pr）的典型值， Pr大體在6