PIN与APD介绍
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简述pin和apd的工作原理
简述pin和apd的工作原理PIN和APD都是用于光电探测的器件，工作原理略有不同，下面将对PIN和APD的工作原理进行详细的阐述。
首先，我们先来介绍一下PIN（P型/Intrinsic/N型）结构器件的工作原理。
PIN结构是一种半导体器件，由P型半导体、Intrinsic层（无掺杂的半导体层）和N型半导体组成。
在PIN结构中，Intrinsic层的宽度较大，起到减少载流子复合的作用。
当光线射入PIN结构中时，光子能量会被传递给半导体晶格中的电子，使其激发为可导电的载流子。
当不存在外加电压的情况下，通过PIN结构的电流主要是由光生电流和擦除电流组成。
光生电流是指光射入PIN结构时，光子与半导体材料发生作用产生的电流。
而擦除电流是指由于载流子在PIN结构中的扩散而产生的电流。
当施加一个外加正向偏压时，即P端连接正极，N端连接负极，此时形成了一个光电二极管。
光电二极管在没有光照射的情况下，电流非常小，只有极小的擦除电流。
但当光照射到PIN结构中时，光子激发了Intrinsic层中的电子，使其跃迁为导带中的自由电子，同时生成空穴。
这些载流子因为外加电场的作用而被快速输送到电极上，从而产生电流。
因此，当光照射到PIN结构时，光电二极管的电流会增大。
这种通过光子激发载流子的效应就是光电效应。
光电二极管的输出电流与输入光强度之间存在着线性关系。
光电二极管的灵敏度与Intrinsic层的宽度有关，宽度越大，灵敏度越高。
在应用中，PIN结构器件主要用于光电转换和信号检测方面，如光通信、光采样等。
接下来，我们来介绍一下APD（Avalanche Photo Diode）的工作原理。
与PIN结构器件不同，APD采用了一种称为雪崩复制效应的方式来增强光电二极管的敏感度。
APD的基本结构与PIN结构类似，也是由P型半导体、Intrinsic 层和N型半导体组成。
APD的工作原理是在光电二极管中引入一个反向偏压，即P端连接负极，N端连接正极。
pin光电二极管
在半导体材料中光功率的吸收呈 指数规律。 P(x)=Pinexp(-αsx）（6.1）
Pin光电二极管工作原理：
当一个入射光子能量大于或 等于半导体的带隙能量时将激励 价带上的一个电子吸收光子的能 量而跃迁到导带上，从而产生自 由的电子-空穴对，如右图所示。 由于它们是在偏置电压控制下由 光通过器件而产生的电载流子， 所以称为光生载流子。大部分载 流子是在耗尽区产生。
产生的电子- 空穴对的个数 q Pin 被吸收的入射光字数 hv Ip
（6.5）
光子能量一定时，大多数光 电二极管的量子效率和入射到光 电二极管的光功率无关。因此响 应度是光功率的线性函数，响应 度R是一个常数。不过在整个波长 范围内量子效率并不是一个常数， 因为光子能量在改变。因此，响 应度R随波长和所用的光电二极管 材料的不同（不同的材料有不同 的带隙能量Eg）而变化。
耗尽区的高电场使得电子-空穴对立即分开并在反向偏置 的结区中向两端流动，在边界处被收集，从而在外电路中形成 电流。每个载流子对分别对应着一个流动的电子，这种电流就 是光电流。
当电载流子在材料中流动时，一些电子-空穴对 会重新复合而消失，此时电子和空穴平均流动的距 离分别为Ln和Lp，这个距离就是所谓的扩散长度，电 子和空穴重新复合所需的时间成为载流子寿命。两 者关系为 Ln=（Dnτn）1/2 Lp=（Dpτp）1/2 其中Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数，其单位 为cm2/s
对于给定的材料，当入射光的波长越来越长时，光子能量变得 越来越小，当这个能量不能满足从价带激发一个电子跃迁到导 带上的能量要求时，响应度就会在截止波长处迅速降低，如右 图。
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Pin光电二极管：
最普通的光电二极管是pin光电二 极管，如右图所示，它的p型材料区和 n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征 区（i）隔开。正常工作时，加上足够 大的反向偏置电压，本征区的载流子就 会完全耗尽。 在光子流Φ穿过半导体时，会被半 导体吸收。假设当x=0时光照到光电探 测器上面，其功率为Pin，当光进入半导 体距离为x时，其光功率为P(x)光功率随 进入半导体的距离dx的变化量为dP(x), 那么dP(x)=-αs(λ)P(x)dx,其中αs(λ)为波 长λ时材料的吸收系数。
PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管PPT教案
式中：e是电子电荷，其值约为1.6×1019G；ν为光频。η与ρ关系可以表示为：
式中：h是普朗克常数，c是光在真空中 的速度,λ是光电检测器的工作波长。代入 相应数值后，可以得到：
从上式可以看出：在工作波长一定时，η 与ρ具有定量的关系。
例6.2 有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉 冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6x106 个，平 均产生了 5.4x106 个电子空隙对，则其量子效率可以 等于：
耗尽区
图6.2 PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间 ，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。 由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗 尽层，如图6.3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换 效率。结构示意图如图6.3（b）所示。
n , p 为电子和空隙的重新复合所需要的时间（载流子寿命）
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律
P(x) P0 (1 e s ()x ) 其中 s () 为波长 处的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是通
过距离x后所吸收的光功率。
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
不同材料吸收系数与波长的关系
式中：Ip为APD倍增后的光生电流；Ip0是 未倍增时的原始光生电流。若无倍增时 和倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣 除当时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。
5. 光电检测器的噪声
输出端光信噪比： S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)
为了得到较高的信噪比： 1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率 2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低
PIN和APD介绍
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V BR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）V B。
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 | →| V B | 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器件。
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
例 (续)
光检测器暗电流：
iD2B 2qID B 2(1.6 1019 C)(4 109 A)(20106 Hz) 2.561020 A2
负载均方热噪声电流为：
iT2
4kBT B 4(1.381023 J / K)(293K) 20106 Hz 3231018 A2
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时 的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般 为 2.5~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光 子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的 增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1 之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
iN2
2 N
iQ2
iD2 B iD2 S
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 m 0.942 A/W
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例
如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
c E h g c6 .1 6 .4 e 2 1 3 ( V 1 3 5 .0 6 J 4 1 s3 1 0 1 J 9 /8 e m 0 /)V s 8n 6m 9
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为:
P w P in (1e sw )
当电载流子在材料中流动时，一些电子 - 空穴对会重新
复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp，
这个距离即扩散长度，分别由下式决定:
LnDn n1/2
LpDp
1/2 p
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp为电子和空穴 重新复合所需的时间，称为载流子寿命。
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律:
光检测器介绍
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是:
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
目前常用的半导体光电检测器有两种: pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时, 会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象, 从而产生电子空穴对。电子空穴对在 外部电场作用下定向移动产生电流。
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为:
P w P in (1e sw )
当电载流子在材料中流动时，一些电子 - 空穴对会重新
复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp，
这个距离即扩散长度，分别由下式决定:
LnDn n1/2
LpDp
1/2 p
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp为电子和空穴 重新复合所需的时间，称为载流子寿命。
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律:
光检测器介绍
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是:
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
目前常用的半导体光电检测器有两种: pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时, 会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象, 从而产生电子空穴对。电子空穴对在 外部电场作用下定向移动产生电流。
inp APD解读
EV
很小
K
APD频率特性
光生电子(空穴)穿过吸收区时间(\pi 层) e e,sat 2 雪崩过程建立产生EHPs的时间 m w GB 雪崩过程放出的空穴（电子）通过\pi区的时间 h h , sat 寄生RC时间 RC R C
InP APD 分类
44所、WTD已经量产
材料
InP/InGaAs APD InAlAs/InGaAs APD 平面结构 spectrolab、III-V lab
垂直进光
结构
台面结构 波导结构
耦合
侧面进光
44所、WTD已经量产
速率
2019/2/26
2.5GB/S 10GB/S WTD样品
平面结构
光通信 GPON /EPON /FTTX
APD应用领域
影响倍增M的因素-离化系数和厚度
InP 材料倍增特性 越薄，隧穿电流越明显
MOST III-V semiconductors 0.4 ≤ k≤2.5 电场 k 1
降低过剩噪声指数
FM
M2 M
2
1 k M 1 k 2 McIntyre’s model M
耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。 增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
吸收
外电场加速
APD工作过程
高电场区的雪崩电离，外电路形成倍增的光生电流。
APD雪崩离化
高电场下发生链式雪崩反应
APD倍增系数M
M = Ip / I0
IP--平均输出电流， I0-一次光生电流
光电流比暗流大
放大器噪声 S N 2q( I P I D ) BM 2 F ( M ) 2qI L B 4k BTB / RL
apd和pin
+3
+3
+5
+3
最小消光比（dB）
+10
+10பைடு நூலகம்
+10
+10
标称中心频率（THz）
192.10～196.00
192.10～196.00
192.10～196.00
192.10～196.00
中心频率偏移（GHz）
±12.5
±12.5
±12.5
±12.5
最大–20dB谱宽（nm）
0.2
0.4
0.4
0.4
最小边模抑制比（dB）
客户侧光接口指标
项目
指标值
标称比特率
10Mbit/s～2.7Gbit/s
线路码型
NRZ
光源类型
SLM
SLM
SLM
传输目标距离（km）
15
40
80
发送机在S点的特性
工作波长范围（nm）
1260～1360
1260～1360
1500～1580
最大平均发送功率（dBm）
0
+3
+3
最小平均发送功率（dBm）
–5
–18
–18
–28
最小过载点（dBm）
0
–9
–9
最大反射系数（dB）
–27
–27
–27
单板波分侧光接口指标
项目
指标值
通道间隔（GHz）
100
线路码型
NRZ
发送机在Sn点的特性
光口目标传输距离（km）
640
170（2mW）
170（10mW）
360
最大平均发送功率（dBm）
+3
+5
+3
最小消光比（dB）
+10
+10பைடு நூலகம்
+10
+10
标称中心频率（THz）
192.10～196.00
192.10～196.00
192.10～196.00
192.10～196.00
中心频率偏移（GHz）
±12.5
±12.5
±12.5
±12.5
最大–20dB谱宽（nm）
0.2
0.4
0.4
0.4
最小边模抑制比（dB）
客户侧光接口指标
项目
指标值
标称比特率
10Mbit/s～2.7Gbit/s
线路码型
NRZ
光源类型
SLM
SLM
SLM
传输目标距离（km）
15
40
80
发送机在S点的特性
工作波长范围（nm）
1260～1360
1260～1360
1500～1580
最大平均发送功率（dBm）
0
+3
+3
最小平均发送功率（dBm）
–5
–18
–18
–28
最小过载点（dBm）
0
–9
–9
最大反射系数（dB）
–27
–27
–27
单板波分侧光接口指标
项目
指标值
通道间隔（GHz）
100
线路码型
NRZ
发送机在Sn点的特性
光口目标传输距离（km）
640
170（2mW）
170（10mW）
360
最大平均发送功率（dBm）
PIN和APD光电检测器的选择
光纤小测选题：PIN和APD光电检测器的选择班级：通信**班学号：****姓名：***日期：***PIN 和APD光电检测器的选择光发射机发射的光信号经过光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。
光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
对光探测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏效应与光纤径匹配。
用半导体材料制成的光探测器正好满足这些要求，在实际工程中最常用的就是PIN光敏二极管和雪崩光敏二极管（APD）。
一．基本概念衡量光电检测器的重要性能指标1. 响应度（R）和量子效率（η）响应度：光生电流I P 与入射光功率P in成正比，即R=I PP in(1-1)量子效率：产生的电子数与光子数之比，即η=I p/qP in/hv(1-2)R=ηqhv =ηλ1.24(1-3）式中普朗克常数h=6.63∗10−34J.s，电子电荷q=1.6∗10−19C(1-1)式表示光探测的响应度随波长增加而增加，这是因为光子能量hv减小时可以产生与减少的能量相等的电流。
R和λ的这种线性关系不能一直保持下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。
当光子能量变得比禁带能量E g小时，无论入射光多强，光电效应也不会发生，此时量子效率下降为零。
也就是说，光电效应必须满足条件:E g＜hv＜e0V(1-4)2.响应带宽（1）APD的3dB电带宽Δf=（2πτe M0）−1(1-5)式中M0为APD的的低频倍增系数，τe为等效渡越时间，与空穴和电子的碰撞电离系数比值αℎαe 有关，在αe>αh时，τe=αhαeτth式（1-5）表明带宽Δf 与倍增系数M 0的矛盾关系，也表明采用αℎ/αe ≪1 的材料制作APD ，可获得较高的本征响应带宽。
（2）PIN 的响应带宽∆f =12πR L C d (1-6)式中C d 为二极管的节点电容，R L 为二极管的负载电阻；式（1-5）表明为了提高PIN 的响应带宽，应尽量减小结电容C d 。
apd工作原理
apd工作原理
APD是一种半导体器件，具有放大和探测光信号的功能。
与普通的PIN光电二极管相比，APD具有更高的增益和更高的探测效率。
其工作原理是利用内建电场将光子激发出的电子加速到高速，从而增强电流。
在APD中，电流的增益是通过复合效应实现的。
在光子激发下，电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
电子加速并与空穴复合，产生二次电子。
这种复合效应导致电流增加，从而增加探测器的灵敏度。
APD在光通信、生命科学和医学成像等领域得到广泛应用。
- 1 -。
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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V BR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)V B。
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。