PIN和APD介绍

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1、PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanchephotodiode（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

2、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VBR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）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。但此时产生的倍增噪声会远远大于倍

3、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;VB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

4、V

5、→

6、VB

7、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。光纤通信使用的是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）

8、。对这些半导体光检测器的基本要求是：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具有良好的温度特性和稳定性，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结中间加上的本征半导体层称为Ⅰ层，图3-25PIN管工作原理示意图其示意图　　以展宽耗尽层，提高转换

9、效率。　　PIN管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，PIN管在光功率P的照射下，产生的光电流为　　　　　　　　　　　式中，η为量子效率，其数值总是小于1；e为电子电量，e≈1.6×10－19C。显然η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　　　　　　　　　　　由上可见，响应度R（和量子效率η）是描述器件光电转换能力的物理

10、量，它与器件材料、光波长有关。　　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PIN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，但这与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

11、尽量小。　　表3-5列出了PIN光电二极管特性的典型数据。表3-5PIN-PD特性的典型值　　　　　　　　　　　　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PIN光电二极管一样，仍是PN结，不同之处是在P层和N层中的掺杂量增大，在外加很高的反向偏压（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

12、，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