浅谈PIN雪崩光电二极管建模部分

本文主要是关于PIN雪崩光电二极管的相关介绍，希望通过本文能对你有所帮助。

 

光电二极管

普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

 

技术参数

 

1.最高反向工作电压；

 

2.暗电流；

 

dark current 也称无照电流光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。 此外在生理学方面，是指在无光照时视网膜视杆细胞的外段膜上有相当数量的Na离子通道处于开放状态，故Na离子进入细胞内，形成一个从外段流向内段的电流，称为暗电流（dark current）。 暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流.(它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流.) 所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。 光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流

 

3.光电流；

 

4.灵敏度；

 

5.结电容；

 

6.正向压降；

 

7.响应度

 

响应度是光生电流与产生该事件光功率的比。工作于光导模式时的典型表达为A/W。响应度也常用量子效率表示，即光生载流子与引起事件光子的比。

 

8.噪声等效功率

 

噪声等效功率（NEP）等效于1赫兹带宽内均方根噪声电流所需的最小输入辐射功率，是光电二极管最小可探测的输入功率。

 

9.频率响应特性

 

光电二极管的频率特性响应主要由3个因素决定：

 

a.光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；

 

b.光生载流子在耗尽层内的漂移时间；

 

c.负载电阻与并联电容所决定的电路时间常数。

 

光电二极管与光电倍增管相比，具有电流线性良好、成本低、体积小、重量轻、寿命长、量子效率高（典型值为80%）及无需高电压等优点，且频率特效好，适宜于快速变化的光信号探测。不足是面积小、无内部增益（雪崩光电管的增益可达100~1000，光电倍增管的增益则可达100000000）、灵敏度较低（只有特别设计后才能进行光子计数）以及相应时间慢，且工艺要求很高。

 

光电二极管和一般的半导体二极管相似，可以暴露（探测真空紫外）或用窗口封装或由光纤连接来感光。

 

光电二极管的检测方法

①电阻测量法

 

用万用表1k挡。光电二极管正向电阻约10MΩ左右。在无光照情况下，反向电阻为∞时，这管子是好的(反向电阻不是∞时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的；若反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。

 

②电压测量法

 

用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0．2—0．4V。

 

③短路电流测量法

 

用万用表50μA档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。

 

在实际工作中，有时需要区别是红外发光二极管，还是红外光电二极管(或者是光电三极管)。其方法是：若管子都是透明树脂封装，则可以从管芯安装外来区别。红外发光二极管管芯下有一个浅盘，而光电二极管和光电三极管则没有；若管子尺寸过小或黑色树脂封装的，则可用万用表(置1k挡) 来测量电阻。用手捏住管子(不让管子受光照)，正向电阻为20-40kΩ，而反向电阻大于200kΩ的是红外发光二极管；正反向电阻都接近∞的是光电三极管；正向电阻在10k左右，反向电阻接近∞的是光电二极管。

 

PIN雪崩光电二极管建模
 

光电探测器是光纤通信和光电探测系统中光信号转换的关键器件,是光电集成电路(OEIC)接收机的重要组成部分.随着集成电路计算机辅助设计技术的发展,通过建立PIN雪崩光电二极管(APD)的数学模型,并利用计算机对其特性进行分析和研究成为OEIC设计中的重要组成部分.目前PIN-APD的等

 

效电路模型,通常在PSPICE中模拟实现[1,2,4-7]

 

.这种方法能较好的进行直流、交流、瞬态分析.但无法跟踪反映PIN-APD工作过程中载流子和光子的变化,同时建模过程中一些虚拟器件的存在和计算使模型特性出现误差.本文通过求解反偏PIN结构中各区过剩载流子速率方程,建立数学模型,并对模型参数和器件进行了修正,在Matlab中进行了模拟计算.模拟结果和实际测量结果吻合较好

 

1 PIN-APD数学模型

 

为分析方便，采用图1所示的一维结构

 

 

考虑光由N区入射.并假设:①:I区完全耗尽,即N,P区耗尽层扩展相对于I区的宽度可忽略;②:I区电场均匀,N,P区电场为零.

 

要模拟PIN-APD的光电特性,需要研究各区载流子在电场及输入光作用下的变化及运动情况.设为反偏PIN结构,则各区过剩载流子运动情况计算如下:1.1 N区空穴扩散电流

 

根据漂移-扩散理论,N区中的少子主要是扩散运动,相应的稳态连续性方程为[8]:

 

 

 

 

同时对于反偏的PIN结构,N区过剩载流子速率方程为

 

 

 

 

暗电流特性和脉冲响应特性模拟参数

 

根据表(1)中的参数,由公式(18),在Matlab中

 

编程,计算,并绘制波形图.

 

图(2)为PIN-APD管的暗电流特性.在计算暗电流时,由于当反偏压较高时,隧穿电流起主要作用,所以式(19)中的λ取1.图中,实线为模拟结果,"*"为文献报道的实验结果.从图中可见该器件的击穿电压为80.5V.

 

 

图(3)为脉冲响应特性,输入信号为Gauss形脉冲,脉冲FWHM为10ps,峰值功率为1mW,偏压

 

为50V,取样电阻为50Ψ,光由P区入射.图中,实线为模拟结果,"*"为文献报道的实验结果.

 

由图可见,模型的计算结果与实验数据基本一致.

 

 

本文针对PIN雪崩光电二极管结构的特殊性,以载流子速率方程为基础,通过适当的假设和拟合,

 

把工作过程中的光、电子量及其转化过程完全用数

 

学模型表述.在Matlab中对该模型进行了计算、模拟,其结果与实验数据吻合较好.表明该模型能比较好地反应器件的特性和预测器件的性能.该模型可用于直流、交流、瞬态等分析.并具有一定的通用性,可以与其它OEIC器件接口使用。

 

结语

关于PIN雪崩光电二极管建模的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。