PINIP结构a-Si∶H多色光电探测器电路模型研究

太阳能光电工程学院《PIN结构GaN光电探测器性能的研究》课程设计报告书题目：PIN结构GaN光电探测器性能的研究*名：***专业：光伏材料加工与应用技术班级：光伏材料加工与应用技术本科班准考证号： 014411304226设计成绩：指导教师：摘要半导体光电探铡器主要分成两类，光电导型和光伏型。

光电导型原理是由于光生载流子造成电导率的变化，光伏型原理是耗尽区的电场使光生载流子产生定向运动形成电流。

常见的光伏型探测器是pn结和pin型光电二极管，另一类型是肖特基型光电二极管，其耗尽区是肖特基原理形成。

与光伏型相比，光电导型探测器有两个主要优点：具有内增益和制作简单。

然而，光电导型探测器要求加偏置，暗电流大，而且速度慢。

肖特基型光探测器被认为是速度最快的探测器，但是它的势垒较低，漏电流比pin型大。

由于耗尽区窄，而且GaN材料中耗尽区外产生的载流子扩散长度短，肖特基型光探测器量子效率较低。

所以本文选择了pin型光探测器的研究，加入i层是为了扩展耗尽区的宽度，增加对光的吸收。

关键词：氮化镓探测器 PIN 饱和电流目录绪言 (3)第一章 GaN基pin型探测器 (4)1.1 pin型探测器工作原理 (4)1.2 量子效率及光谱晌应 (6)1.3 瞬态响应 (7)1.4 GaN基pin型探测器研究现状 (8)第二章 Ga基pin型紫外探测器的研制 (10)2.1 GaN基pin型探测器分析 (10)2.1.1 GaN材料p诅紫外探测器 (10)2.1.2 pin紫外探测器分析 (10)2.2 材料生长及器件制作 (12)2.2.1 材料生长 (12)2.2.2 版图设计 (12)2.2.3 器件制备 (14)3.1 暗电流 (15)3.2 光电流 (16)第四章 GaN基pin型紫外探测器高温电气性能 (17)4.1 不同温度下I—V性能测试及分析 (17)4.1.1 测试系统的建立 (17)4.1.2 测试结果处理及分析 (18)4.2 不同温度下C-V性能测试及分析 (18)4.2.1 测试系统的建立 (18)4.2.2 测试结果处理及分析 (19)结论 (20)参考文献 (21)绪言半导体紫外探测器体积小，性能稳定，使用方便。

第４０卷第５期２０１９年９月应㊀用㊀光㊀学J o u r n a l o fA p p l i e dO p t i c s V o l ．４０N o ．５S e p２０１９文章编号:１００２Ｇ２０８２(２０１９)０５Ｇ０７２３Ｇ０８收稿日期:２０１９Ｇ０５Ｇ３１;㊀修回日期:２０１９Ｇ０７Ｇ１１基金项目:国家自然科学资助基金项目(５１５０７１４０);陕西省重点研发计划(２０１７Z D XM ＧG Y Ｇ００３);陕西省自然科学基金(２０１７J M ５１００);西安市科技计划(２０１７０８０C G /R C ０４３)作者简介:张辉(１９６３－),男,博士,教授,博士生导师,主要从事微电网运行控制与新型电能储存及电动汽车驱动/充电的研究.E Ｇm a i l :z h a n gh ＠x a u t ．e d u ．c n 通信作者:柯程虎(１９８５－),男,博士研究生,主要从事泛在电力物联网与微电网网络控制方面的研究.E Ｇm a i l :５６２２２９８７＠q q．c o m P I N 光电探测器的建模与仿真分析张㊀辉,柯程虎,刘昭辉(西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安７１００４８)摘㊀要:为了优化P I N 光电探测器响应特性,首先依据载流子速率方程,并考虑芯片寄生参量和封装寄生参量,建立光电探测器的等效电路模型.然后仿真分析了反偏电压㊁I 区宽度㊁光敏面㊁芯片寄生电阻和电容㊁封装寄生电阻㊁电容和电感对光电探测器脉冲响应特性和频率响应特性的影响.结果表明:通过增大反偏电压,减小光敏面和寄生参量(芯片寄生电容和电阻,封装寄生电容和电阻),选取合适的I 区宽度,利用引线电感的谐振效应现象,可以抑制脉冲响应波形畸变,提高频率响应带宽.关键词:P I N 光电探测器;等效模型;速率方程;响应特性中图分类号:T N ３６４＋．２㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀D O I :１０．５７６８/J A O ２０１９４０．０５０１００２M o d e l i n g a n d s i m u l a t i o na n a l ys i s o fP I N p h o t o d e t e c t o r Z H A N G H u i ,K EC h e n gh u ,L I UZ h a o h u i (S c h o o l o fA u t o m a t i o na n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,X i a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,X i a n７１００４８,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e rt oo p t i m i z et h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fP I N p h o t o d e t e c t o r st oi n c i d e n tl i gh t s i g n a l s ,a c c o r d i n g t o t h e c a r r i e r r a t e e q u a t i o na n d c o n s i d e r i n g t h e p a r a s i t i c p a r a m e t e r s o f t h e c h i p an d t h e p a r a s i t i c p a r a m e t e r s o f t h e p a c k a g e ,t h e e qu i v a l e n t c i r c u i tm o d e l o f t h e p h o t o d e t e c t o rw a s d e r i v e d ．I na d d i t i o n ,t h ee f f e c t so fr e v e r s eb i a sv o l t a g e ,I Ｇz o n e w i d t h ,p h o t o s e n s i t i v es u r f a c e ,c h i p p a r a s i t i c r e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e ,p a c k a g e p a r a s i t i c r e s i s t a n c e ,c a pa c i t a n c ea n d i n d u c t a n c eo n t h e p u l s e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s a n d f r e q u e n c y r e s po n s e c h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o d e t e c t o r sw e r e s i m u l a t e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t b y i n c r e a s i n g t h e r e v e r s e b i a s v o l t a g e ,r e d u c i n g t h e p h o t o s e n s i t i v es u r f a c e a n d p a r a s i t i c p a r a m e t e r s (c h i p p a r a s i t i c c a pa c i t a n c e a n d r e s i s t a n c e ,p a c k a g e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e a n d r e s i s t a n c e ),s e l e c t i n g t h e a p p r o p r i a t e I Ｇz o n ew i d t h ,,u s i n g t h e r e s o n a n c ee f f e c to ft h el e a di n d u c t a n c e ,i tc a ns u p p r e s st h e w a v e f o r m r e s p o n s et o g e n e r a t e w a v e f o r md i s t o r t i o na sw e l l a s i m p r o v e t h e f r e q u e n c y r e s po n s eb a n d w i d t h ．K e y wo r d s :P I N p h o t o d e t e c t o r s ;e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l ;r a t e e q u a t i o n ;r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s 引言P I N 光电探测器具有灵敏度高㊁体积小㊁功耗低㊁响应速度快等优点,是光通信系统中的核心组成部分,其动态响应特性的优劣直接影响着整个通信系统的性能,P I N 光电探测器具有很大的科研价值[１Ｇ２].１９９３年,N ．R ．D e s a i 等人[３]提出了通用的P I N 光电探测器等效电路模型,被视为光电探测器等效电路模型的雏形.２００２年,G W a n g 等人[４]在此基础上建立了具有载流子传输效应的等效电路模型,利用电阻㊁电容组成R C 电路来表征载流子的传输时间效应,能更真实反应光电探测器响应特性.应用光学第４０卷第５期２００１年,陈维友等人[５]将P I N 光电探测器简化为一维P I N 三层结构,通过分析载流子的变化和运动情况,引入归一化常数,将载流子速率方程转换为等效电路模型,建立了包含芯片寄生参量的P I N 光电探测器的等效电路模型,但没有考虑芯片在封装过程中所引入的封装寄生参量.２００８年,陈苗等人[６]在此模型基础上,假设入射光全部被I 区吸收,建立了P I N 光电探测器的等效电路模型,但是没有考虑扩散电流对探测器的影响.２０１５年,赵军等人[７]同时考虑I 区中空穴和电子的运动情况,推导了P I N 光电探测器的等效电路模型.为了优化P I N 光电探测器的响应特性,本文同时考虑芯片寄生参量和封装寄生参量,利用速率方程推导了P I N 光电探测器的等效电路模型,系统分析了探测器中各主要参数对其性能的影响,为改善光电探测器的响应特性提供了理论依据.１㊀P I N 光电探测器等效模型考虑I 区电中性原则,并假设:１)N ㊁P 区耗尽层扩展相对于I 区宽度可忽略;２)I 区电场均匀,N ㊁P 区电场为零,光从图１中N 区入射,采用如下速率方程对反偏P I N 光电探测器的等效电路模型(如图１)进行推导[５Ｇ７].图１㊀P I N 光电探测器的一维结构F i g．１㊀O n e Ｇd i m e n s i o n a l s t r u c t u r e o fP I N p h o t o d e t e c t o r N 区:d P n d t ＝ηn P i n －P n τp －I pq (１)P 区:d N p d t ＝ηp P i n －N p τn －I n q (２)I 区:d N i d t ＝ηi P i n －N i τn r －N i τn t ＋I n q(３)式中:P n ㊁N p 为N ㊁P 区过剩空穴,电子总数;τn ㊁τp 为P ㊁N 区电子,空穴寿命;I n ㊁I p 为P ㊁N 区少数载流子的电子,空穴电流;q 为电子电荷;P i n 为输入光功率;N i 为I 区电子总数;τn r 为I 区电子复合寿命,τn t 为I 区电子漂移速度.各区中电子空穴对的产生率分别为[７]:ηn ＝(１－r )[１－e x p (－αnW n )]h ν(４)ηp ＝(１－r )[１－e x p (－αp W p )]e x p (αn W n ＋αi W i ) h ν(５)ηi ＝(１－r )[１－e x p (－αiW i )]e x p (αnW n ) h ν(６)式中:r 为反射率;αn ㊁αp ㊁αi 分别为N ㊁P ㊁I 区的光吸收系数;h ν为光子能量;W n ㊁W p ㊁W i 分别为N ㊁P ㊁I 区的宽度.为了将空穴电子等参量转化为电路变量,引入常量C n c ,同时令[５]:P n ＝V p q C n c N p ＝V n q C n c N i ＝V i q C n c(７)将(４)~(７)式带入(１)~(３)式,可得:d V p qd t C n c ＝P i n (１－r )h v [１－e x p (－αn W n )]－V p q τp－I pq (８)d V n qd t C n c ＝P i n (１－r )[１－e x p (－αp W p )]h v e x p (αn W n ＋αi W i )－V n q τn C n c －I nq(９)d V i qd t C n c ＝P i n (１－r )[１－e x p (－αiW i )]h v e x p (αn W n )－V i q τn r C n c －V i q τn t C n c ＋I nq(１０)将扩散电流[８]I n ＝βn P i n ＋V n R n o,I p ＝βp P i n ＋V P R P ０带入上式并化简得:P i nV o p＝C n c d V p d t ＋V p R P ＋βp P i n ＋V P R P ０(１１)其中:V o p ＝h νq (１－r )[１－e x p (－αn W n )]R p ＝τpC n c I o p ＝P i n V o pP i nV o n ＝C n c d V n d t ＋V n R n ＋βn P i n ＋V n R n o(１２)其中:V o n ＝h νe x p (αn W n ＋αiW i )q (１－r )[１－e x p (－αp W p )]R n ＝τn C n c I o n ＝P i n V o nP i nV o i ＋βn P i n ＋V n R n o ＝C n c d V i d t ＋V i R n r ＋V i R n t(１３)其中:V o i ＝h νe x p (αnW n )q (１－r )[１－e x p (－αi W i )]R n r ＝τn r C n c R n t ＝τn t C n c I o i ＝P i nV o i４２７应用光学㊀２０１９,４０(５)㊀张㊀辉,等:P I N 光电探测器的建模与仿真分析式中:βn ㊁R n ０分别表示扩散电子电流与V n ㊁P i n 的关系系数;βp ㊁R p ０分别表示扩散空穴电流与V p ㊁P i n 的关系系数.以N －I 界面为例,输出端电流为:I j ＝I i ＋I p ,此外需要考虑光电探测器内的芯片寄生和封装寄生参量.芯片寄生参量可用C c ㊁R c 和R d 来表示,其中C c ＝C p n ＋C s ,分别为结电容C pn ＝ε０εr A W i 和芯片与电极焊接所引起的并联电容C s ;R c 为芯片的串联电阻,包括芯片与电极的欧模接触电阻和体电阻;并联电阻R d 用来表征PI N P D 中的隧穿电流㊁漏电流等.封装寄生参量主要来源于封装过程中的载体和金丝,芯片焊盘与载体接触时引入并联电容C e ,引线金丝用于连接外部电路与芯片,本身呈现感性和阻性,分别用串联L e 和R e 表示[９Ｇ１１].由(１１)~(１３)式及上述分析可得P I N 光电探测器等效电路模型如图２,该模型左支路为模拟光信号的输入,中间支路为电子空穴的变化情况,右支路为光电探测器实际输出电流.图２㊀P I N 光电探测器的等效电路模型F i g ．２㊀E qu i v a l e n t c i r c u i tm o d e l o fP I N p h o t o d e t e c t o r ２㊀仿真分析２．１㊀I 区宽度W i 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图３和图４分别给出了在不同I 区宽度W i 下,P I N 光电探测器脉冲响应特性和交流小信号频率响应特性,I 区宽度W i 分别取:３μm ㊁１０μm ㊁５０μm ㊁１００μm.图３㊀不同I 区宽度下的脉冲响应曲线F i g ．３㊀P u l s e r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t I Ｇz o n ew i d t hs 图４㊀不同I 区宽度下的频率响应曲线F i g ．４㊀F r e q u e n c y r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t I Ｇz o n ew i d t h s 由图３可知,I 区宽度W i 从３μm~１００μm 变化时,输出光电流从３．８m A 先增大到８．４m A 再减小到４m A ;W i 取１０μm 时,P I N 脉冲响应曲线最好,W i 取１００μm 时,探测器输出的矩形脉冲变形失真最严重;当W i 分别为３μm ㊁１０μm ㊁５０μm ㊁１００μm 时,脉冲响应时间分别大约为０．５１n s㊁０ ３３n s ㊁０．８４n s ㊁０．９９n s .响应时间主要与载流子在I 区中的渡越时间㊁在I 区外的扩散时间和５２７应用光学第４０卷第５期R C 时间常数有关[１２Ｇ１３],但由于I 区宽度较宽可以吸收绝大部分光子,因此扩散时间对响应时间常数的影响几乎可以忽略不计.当I 区宽度增加时,光电探测器结电容的减小会引起R C 时间常数的降低,但随着W i 值越来越大时,载流子在I 区中渡越时间的增加会越加严重,因此会造成脉冲响应时间先减小再增大.由上述分析可知:通过选择合适的I 区宽度W i ,使得脉冲响应时间最小,可以很好的抑制波形失真.从图４可知,当I 区宽度W i 分别取３μm ㊁５０μm ㊁１００μm 时,－３d B 频率响应带宽分别为３．１G H z ㊁２．２G H z ㊁１．６G H z ;只有当I 区宽度W i 取１０μm 时,响应带宽达到了４．１G H z ,故存在一个最佳I 区宽度１０μm 使频率响应带宽最大,与上述时域仿真结果一致.综合考虑响应度和响应时间,选择最佳I 区宽度W i 可以实现对P I N 光电探测器响应特性的优化.２．２㊀反偏电压V １对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图５和图６分别给出了在不同反偏电压V １下,P I N 光电探测器脉冲响应特性和交流小信号频率响应特性,反偏电压V １分别取:２V ㊁４V ㊁６V ㊁８V.图５㊀不同反偏电压下的脉冲响应曲线F i g ．５㊀P u l s e r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t r e v e r s e b i a s v o l t a ge s 由图５可知,反偏电压V １从２V~８V 变化时,输出光电流从１．２m A 增大到６．５m A ,响应上升时间从０．２１n s 增大到０．９１n s,下降时间从０ ４１n s 增大到０．８１n s .这与由于输出光电流与I 区受激吸收产生的电子空穴对和载流子在I 区漂移的速度有关,随着光电探测器外加反偏电压的增大,I 区电场越强,载流子受到更强的电场力进而使得自身在I 区漂移速度更快,光电探测器内载流子累积速率提高造成的输出光电流增大[１４].由图６㊀不同反偏电压下的频率响应曲线F i g ．６㊀F r e q u e n c y r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t r e v e r s e b i a s v o l t a ge s 上述分析可知,通过增大反偏电压可以降低响应延迟,优化脉冲波形.从图６可知,当反偏电压分别取２V ㊁４V ㊁６V ㊁８V 时,－３d B 频率响应带宽分别为４．６G H z㊁５．６G H z ㊁８．９G H z ㊁９．３G H z ,即P I N 光电探测器－３d B 频率响应带宽随着反偏电压的增大而增大.因此通过增大偏置电压可以优化探测器响应脉冲波形,提高频率响应带宽.２．３㊀光敏面A 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图７和图８分别给出了在不同光敏面A 下,P I N 光电探测器脉冲响应和交流小信号频率响应特性,光敏面A 分别取:６ˑ１０－７,１２ˑ１０－８,６ˑ１０－８,１２ˑ１０－９.图７㊀不同光敏面下的脉冲响应曲线F i g ．７㊀P u l s e r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p h o t o s e n s i t i v e s u r f a c e s由图７可知,光敏面面积A 从１２ˑ１０－９~６ˑ１０－７变化时,脉冲响应时间从０．３３n s 增大到１．６５n s.由此可知,光敏面面积A 值越大,探测器对入射光脉冲的响应时间越长,脉冲波形失真越严重.由图８可知,光敏面面积A 分别为６ˑ１０－７㊁１２ˑ１０－８㊁６ˑ１０－８㊁１２ˑ１０－９时,－３d B 频率响应６２７应用光学㊀２０１９,４０(５)㊀张㊀辉,等:P I N光电探测器的建模与仿真分析图８㊀不同光敏面下的频率响应曲线F i g ．８㊀F r e q u e n c y r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p h o t o s e n s i t i v e s u r f a c e s带宽分别为２．１G H z ㊁４．９G H z ㊁５．８G H z ㊁７．２G H z .即P I N 光电探测器－３d B 频率响应带宽随着光敏面面积的减小而增大,带宽的提高可以使得光电探测器响应更高频率的入射光.因此为了得到更好的光电探测器响应特性,可以通过减小光电探测器光敏面A 来实现,但同时要考虑减小光敏面所引起的光纤耦合问题.２．４㊀芯片寄生电阻R c 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图９和图１０分别给出了在不同芯片寄生电阻R c 下,P I N 光电探测器脉冲响应特性和交流小信号频率响应特性,芯片寄生电阻R c 分别取:１０Ω㊁２０Ω㊁３０Ω㊁４０Ω.图９㊀不同芯片寄生电阻下脉冲响应曲线F i g ．９㊀P u l s e r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i ppa r a s i t i c r e s i s t a n c e s由图９可知,芯片寄生电阻R c 从１０Ω~４０Ω变化时,脉冲响应时间从０．３７n s 增大到１．６７n s ,由此可知,芯片寄生电阻R c 值越大,探测器的响应时间越长,脉冲波形逐渐失真.这与光电探测器的R C 时间常数有关,R C 时间常数表示过渡反应的时间过程的常数,当芯片寄生电阻R c 值越大,R C 时间常数越大,即载流子在光电探测器内图１０㊀不同芯片寄生电阻下的频率响应曲线F i g ．１０㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i ppa r a s i t i c r e s i s t a n c e s 传输时间变长会造成脉冲响应时间的增大[１５].由图１０可知,当电阻R c 分别取４０Ω㊁３０Ω㊁２０Ω㊁１０Ω时,－３d B 频率响应带宽分别为４．１G H z ㊁４．９G H z ㊁５．５G H z ㊁６．７G H z .P I N 光电探测器－３d B 频率响应带宽随着芯片寄生电阻的增大而减小,可以通过减小芯片寄生参量R c 的值,来改善探测器的响应特性.２．５㊀芯片寄生电容C c 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图１１和图１２分别给出了在不同芯片寄生电容C c 下,P I N 光电探测器调制响应特性和交流小信号频率响应特性,芯片寄生电容C c 分别取:０．１pF ㊁８p F ㊁１８p F ㊁３０p F.图１１㊀不同芯片寄生电容下脉冲响应曲线F i g ．１１㊀P u l s e r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i ppa r a s i t i c c a pa c i t a n c e s 由图１１可知,芯片寄生电容C c 从０．１p F ~３０p F 变化时,脉冲响应时间从０．２２n s 增大到１ ７６n s ,输出电流从８．５m A 降低到４．４m A .芯片寄生电容C c 越大,脉冲响应时间越大;因为R C 时间常数随着芯片寄生电容的增大而增加,R C 时间常数的增加会引起载流子在光电探测器中的传输时间变长.７２７应用光学第４０卷第５期图１２㊀不同寄生芯片电容下的频率响应曲线F i g ．１２㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i pp a r a s i t i c c a pa c i t a n c e s 由图１２可知,当电容C c 分别取３０p F ㊁１８p F ㊁８p F ㊁０．１p F 时,－３d B 频率响应带宽分别为０．６G H z ㊁０．８G H z ㊁１．６５G H z ㊁１４G H z .光电探测器－３d B 频率响应带宽随着芯片寄生电容的减小而增大,可以通过减小芯片寄生电容来实现更好的频率和脉冲响应.２．６㊀封装寄生参量(R e ,C e ,L e )对P I N 光电探测器频率响应特性的影响㊀㊀图１３给出了在不同封装寄生参量R e 下,P I N 光电探测器交流小信号频率响应特性.封装寄生参量R e 分别取１Ω㊁１０Ω㊁２０Ω㊁３０Ω时,－３d B 频率响应带宽分别为９．８G H z ㊁８．３G H z ㊁６．２G H z㊁４．６G H z.因此可以通过减小封装寄生参量电阻R e 的值,改善光电探测器频率响应特性.图１３㊀不同封装寄生串联电阻下频率响应曲线F i g ．１３㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p a c k a ge pa r a s i t i c r e s i s t a n c e s 图１４给出了在不同封装寄生参量C e 下,P I N 光电探测器对其交流小信号频率响应特性.封装寄生参量C e 分别取０．１５p F ㊁０．３５p F ㊁０．７５p F ㊁１pF 时,－３d B 频率响应带宽大约为１３．１GH z ㊁１１．８G H z ㊁１０．１G H z ㊁９．２G H z .因此可以通过减小封装寄生参量电容C e 的值,改善光电探测器频响特性.图１４㊀不同封装寄生串联电容下频率响应曲线F i g ．１４㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p a c k a ge p a r Ｇa s i t i c c a pa c i t a n c e s 图１５给出了在不同封装寄生参量L e 下,P I N 光电探测器对其交流小信号频率响应特性.封装寄生参量L e 分别取０．１n H ㊁１n H ㊁５n H ㊁１０n H ㊁２０n H ㊁３０n H 时,－３d B 频率响应带宽分别为３．１G H z ㊁３．９G H z ㊁４．２G H z ㊁２．２G H z ㊁１．３G H z ㊁０．４１G H z.由图中可见,响应曲线存在谐振峰,这是由于封装寄生参量(R e ,C e ,L e )构成了谐振回路产生寄生振荡造成的.随着电感L e 的增大,频率响应带宽并不是一直减小,而是先增大在减小,故存在一个最佳的寄生电感值使得频率响应带宽最大.因此可以通过控制引线金丝的长短利用谐振效应,补偿光电探测器频率响应带宽.图１５㊀不同封装寄生串联电感下的频率响应曲线F i g ．１５㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p a c k a ge pa r a s i t i c i n d u c t a n c e s ３㊀结论本文以P I N 光电探测器的速率方程为基础,同时考虑了光电探测器内所存在的各种寄生参量,理论推导了光电探测器的等效电路模型,从瞬态响应和频率响应两方面仿真分析了影响探测器８２７应用光学㊀２０１９,４０(５)㊀张㊀辉,等:P I N光电探测器的建模与仿真分析响应特性的因素,得出了５种可以抑制脉冲波形失真和提高频率响应带宽的方法:１)综合考虑响应度和响应时间,存在最佳I 区宽度W i可以实现对输出光电流㊁脉冲波形和频响特性的优化;２)增大反偏电压V１,可以抑制光电探测器在高频响应时出现的波形失真现象,扩展频率响应带宽,但当增大到一定程度时,I区场强饱和,响应时间不再减小;３)减小探测器的光敏面A可以改善光电探测器的响应特性,但必须考虑减小光敏面所引起的光纤耦合问题;４)光电探测器的R C时间常数会随着芯片寄生电阻R c和电容C c的减小而降低,进而抑制脉冲波形畸变,提高频率响应带宽;５)减小封装寄生参量(R e,C e)的值可以改善光电探测器频响特性;选取合适的封装寄生电感L e值,利用其谐振效应可以达到补偿探测器频率响应带宽的目的.参考文献:[１]㊀WA N G Y i c h e n g．D e v e l o p m e n to fu l t r ah i g hs p e e d s e m i c o n d u c t o r p h o t oＧd e t e c t o r s[J]．C o m p u t e r M e a sＧu r e m e n t&C o n t r o l,２００５,１３(９):９９０Ｇ９９１．王益成．超高速半导体光电探测器的研制[J]．计算机测量与控制,２００５,１３(９):９９０Ｇ９９１．[２]L IQ i n g w e i,L IW e i,Q I A OL i f a n g,e t a l．１０G b i t/ sm e s aI n G a A s/i nP p i nh i g hs p e e d p h o t o d e t e c t o r[J]．S e m i c o n d u c t o rT e c h n o l o g y,２０１８(４):２８０Ｇ２８４．李庆伟,李伟,齐利芳,等．１０G b i t/s台面型I nＧG a A s/I n P p i n高速光电探测器[J]．半导体技术,２０１８(４):２８０Ｇ２８４．[３]D E S A IN R,H O A N G K V,S O N E K GJ．A p p l iＧc a t i o n s o f P S P I C Es i m u l a t i o n s o f t w a r e t o t h e s t ud y o fo p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t s a n d d e v i c e s[J]．I E E E T r a n s a c t i o n s o n E d u c a t i o n,１９９３,３６(４):３５７Ｇ３６２．[４]WA N G G,T O K UM I T S U T,HA N AWAI,e t a l．A n a l y s i s o f h i g hs p e e d pＧiＧn p h o t o d i o d eSＧp a r a m e t e r sb y an o v e l s m a l lＧs i g n a l e q u i v a l e n tc i r c u i tm ode l[J]．M i c r o w a v e&W i r e l e s s C o m p o n e n t s L e t t e r sI E E E,２００２,１２(１０):３７８Ｇ３８０．[５]C H E N W e i y o u,L I U B a o l i n,L I U S h i y o n g．T h e s t u d y o fP I NＧP D m o d e l[J]．A c t aE l e c t r o n i c aS i n i c a,１９９４(１１):９５Ｇ９７．陈维友,刘宝林,刘式墉．P I N光电二极管电路模型的研究[J]．电子学报,１９９４,(１１):９５Ｇ９７．[６]C H E N M i a o．R e s e a r c ho n e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n d p h o t o d e t e c t o r[D]．C h e n g d u: U n i v e r s i t y o fE l e c t r o n i cS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y o fC h i n a,２０１１:４２Ｇ４３．陈苗．半导体激光器和光探测器等效电路模型研究[D]．成都:电子科技大学,２０１１:４２Ｇ４３．[７]Z HA O J u n．R e s e a r c h o n p h o t o d e t e c t o re q u i v a l e n tc i r c u i t m ode l a n d e x p e r i m e n t[D]．C h o n g q i n g:C h o n g q i n g U n i v e r s i t y,２０１５:２０Ｇ２４．赵军．光电探测器等效电路模型和实验研究[D]．重庆:重庆大学,２０１５:２０Ｇ２４．[８]C H E N W e i y o u．O p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s c i r c u i tm o d e la n d t h e c i r c u i tＧl e v e l s i m u l a t i o no fO E I C[M]．B e i j i n g:N a t i o n a lD e f e n s e I n d u s t r y P r e s s,２００１:２２４Ｇ２３２．陈维友．光电子器件模型与O E I C模拟[M]．北京:国防工业出版社,２００１:２２４Ｇ２３２．[９]X I A O Y o n g,C H E N F u s h e n．D C b i a sa n a l y s i so f s e m i c o n d u c t o r l a s e r b a s e do n e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l[J]．S e m i c o n d u c t o rO p t o e l e c t r o n i c s,２０１１,３２(１):３８Ｇ４０．肖勇,陈福深．基于等效电路模型的半导体激光器直流偏置分析[J]．半导体光电,２０１１,３２(１):３８Ｇ４０．[１０]X U W e n b i a o,C H E N F u s h e n,C H E N M i a o,e ta l．C h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s o fa v a l a n c h e p h o t o d e t e c t o rb a s e do ne q u i v a l e n tc i r c u i tm ode l[J]．S e m i c o n d u c t o rO p t o e l e c t r o n i c s,２０１１,３２(３):３３６Ｇ３３８．许文彪,陈福深,陈苗,等．基于等效电路模型的雪崩光电探测器特性分析[J]．半导体光电,２０１１,３２(３):３３６Ｇ３３８．[１１]Z HA N GS h e n g l i,L I U Y u,S U NJ i a n w e i,e t a l．O pＧt i m i z e d p a c ko f h i g hＧs p e e d p h o t o d i o d e[J]．A c t aO pＧt i c aS i n i c a,２００４,２４(５):６５９Ｇ６６２．张胜利,刘宇,孙建伟,等．高速光探测器封装的优化设计[J]．光学学报,２００４,２４(５):６５９Ｇ６６２．[１２]T A O Q i l i n．１．３μm h i g hs p e e dP I N p h o t o d i o d e[J]．S e m i c o n d u c t o r O p t o e l e c t r o n i c s,２００１,２２(４):２７１Ｇ２７４．陶启林．１．３μm高速P I N光电二极管[J]．半导体光电,２００１,２２(４):２７１Ｇ２７４．[１３]K E X i z h e n g,WA N GJ i a o．C o m p a r i s o no f p o l a r i z aＧt i o n p r o p e r t y o f p a r t i a l l y c o h e r e n t b e a m b e t w e e n p r o p a g a t i n g a l o n g a nu p l i n k p a t h a n d a d o w n l i n k p a t hi na t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e[J]．A c t aP h y s i c aS i n i c a,２０１５,６４(２２):１４４Ｇ１５１．柯熙政,王姣．大气湍流中部分相干光束上行和下９２７应用光学第４０卷第５期行传输偏振特性的比较[J]．物理学报,２０１５,６４(２２):１４４Ｇ１５１．[１４]K O N G Y i n g x i u,K EX i z h e n g,Y A N G Y u a n．I m p a c t o f l o c a lo s c i l l a t o r p o w e ro nS N Ri ns p a c ec o h e r e n t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s[J]．I n f r a r e d a n dL a s e r E n g iＧn e e r i n g,２０１６,４５(２):２３４Ｇ２３９．孔英秀,柯熙政,杨媛．空间相干光通信中本振光功率对信噪比的影响[J]．红外与激光工程,２０１６,４５(２):２３４Ｇ２３９．[１５]WA N G M i n g j u n,K E X i z h e n g,WA N GJ i a o,e t a l．L a s e r p u l s e i n c o h e r e n c e s c a t t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e c o v a r i a n c e f u n c t i o n o f t h e s c a t t e r e d i n t e n s i t y f l u cＧt u a t i o nf o rar a n d o m r o u g h s u r f a c e[J]．C h i n S c iB u l l,２０１５,６０(２３):２１８８Ｇ２１９５．王明军,柯熙政,王姣,等．粗糙面激光脉冲非相干散射及强度起伏协方差函数[J]．科学通报,２０１５,６０(２３):２１８８Ｇ２１９５．０３７。

文章编号:1672-8785(2021)01-0001-05p-i-n In&InGaAs光电探测器的电流及电容特性研究夏少杰陈俊"(苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006)摘要：为了实现高灵敏度探测，红外探测器需要得到优化&利用Silvaco 器件仿真工具研究了 p-i-n 型InP/Ino. 53Ga 0.47As/In 0. 53Ga °. 47A s 光电探测器的结构, 并模拟了该结构中吸收层浓度和台阶宽度对暗电流以及结电容的影响&结果表 明，随着吸收层掺杂浓度的逐渐增大，器件的暗电流逐渐减小，结电容逐渐增 大。

当台阶宽度变窄时，器件的暗电流随之减小，结电容也随之变小。

最后研 究了光强和频率对器件结电容的影响&在低光强下，器件的结电容基本不变； 当光强增大到1 W /m 2时，器件的结电容迅速增大&器件的结电容随频率的升 高而减小，其 &关键词：近红外光电探测器；InP/InGaAs ；暗电流；结电容中图分类号：TN362文献标志码：A DOI ： 10.3969/j.issn.1672-8785.2021.01.001Research on Current and Capacitance Characteristicsof p-i-n In&InGaAs PhotodetectorXIA Shao-jie ，CHEN Jun **收稿日期：2020-08-28基金项目：国家自然科学基金项目(61774108)作者简介：夏少杰(1995-)，男，江苏苏州人，硕士生，主要从事红外光电器件研究。

*通讯作者:E-mail ： ****************.cn(.School of Electronic and Information Engineering ，Soocho2 University ，Suzhou 215006，China )Abstract : In order to achieve high sensitivity detection ，infrared detectors need to be optimized. Based on the Silvaco device simulation tool, the photoelectric characteristics of p-i-n InP/IriQ,53GaQ,47As/In 0.53GaQ,47As photode ­tector is analyzed. The effects of absorption concentration and mesa width on dark current and junction capaci ­tance in the structure are simulated. The results show that as the doping concentration of the absorption layergradua <yincreases ，thedarkcu r entofthedevicegradua <ydecreases ，andthejunctioncapacitancegradua <y increases. When the mesa width becomes narrower ，the dark current of the device decreases ，and the junctioncapacitance becomes smaller. Finally ，the effect of light intensity and frequency on the device junction capaci ­tance is studied. At low light intensity ，the device junction capacitance is basically unchanged. When the light intensityincreasesto1 W /cm 2!thedevicejunctioncapacitanceincreasesrapidly2Thedevicejunctioncapaci-tance increases with frequency decreasing. The peak is caused by defect levels.Key words:near-infrared photodetector；InP/InGaAs；dark current；junction capacitance0引言随着红外探测技术的不断发展，红外探测器作为该技术中最核心的部分也发展极为迅猛&红外探测器可将人类肉眼不可见的红外辐射能转换为可测量的能量！其研究最重要的是材料和器件结构的选择。

摘要本论文工作围绕１．Ｏ．１．６ｕｍ光通讯波段Ｉｎ０，５３Ｇａｏ．４７ＡｓＰＩＮ超高速光电探测器的研制开展，针对超高速光电探测器的特点，以光电探测器的设计、制作和测试＼／为主要内容，研制出了一批性能良好的光电探测器，，ｆ｝导到了下面一些结果：…＼１．在对光电探测器的卜Ｖ特性、量子效率、Ｃ—Ｖ特性和瞬态响应速度进行计算和讨论的基础上，进行了探测器的结构设计。

从优化探测器的响应速度、耦合效率和量子效率的角度出发，提出了合理的Ｉｎｏ．５３Ｇａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器的外延层材料结构和器件图形结构，利用这个结构进行了探测器的版图设计，得到了实用可行的正面入射台面结构Ｉｎｏ５３Ｇａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器版图。

２．通过正胶反转工艺、湿法腐蚀工艺和聚酰亚胺的钝化工艺实验，得到了合适的Ｉｎｏ５３Ｑａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器的单项工艺条件，利用这些单项工艺制定出了详细的探测器工艺流程，并且利用这个工艺流程制成了一批ＩＩｌ０．５３Ｇａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器芯片。

３．通过对探测器卜Ｖ特性、光谱响应、Ｃ—Ｖ特性和瞬态时域响应的测试原理和方法的讨论，利用相应的测试设备对探测器的性能参数进行了测量，并对典型器件的测试结果进行了分析。

由探测器的卜Ｖ特性曲线得到了典型器件在．５Ｖ下的反向暗电流为６４０ｐＡ，，击穿电压为３７Ｖ；由探测器的光谱响应得到了探测器的峰值响应波长为１．６５ｕｍ、短波方向的截止波长为Ｉｕｍ、长波方向的截止波长为１．７５ｕｍ；由探测器的Ｃ—Ｖ特性曲线得到了典型探测器的在．５Ｖ偏压下的电容约为１．４ｐｆ，通过对Ｃ—Ｖ特性的讨论得到了影响探测器的电容的主要因素是分布参数：由探测器的时域瞬态响应的测量得到了典型器件在．ＩＯＶ下的上升时间为３７ｐｓ，下降时间为３０ｐｓ，半高宽为４８ｐｓ，通过时域瞬态响应曲线，探讨了影响探测器响应速度的主要因素，得到了电路的ＲＣ时间常数、载流子在耗尽区外的扩散作用和测试系统的响应速度是影响探测器的响应速度的主要因素的结论，并且对测试系统中存在的问题进行了分析，预期改进测试系统后，可一ｌ、以获得更符合实际的测量结果。