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用于Si APD的低噪声光接收器
弗雷德里克·拉福斯
Excelitas环境卫生，22001 Dumberry，沃德勒伊 - 多里翁，QC，加拿大，J7V 8P7
摘要
飞行时间激光测距，扫描视频成像和深空通信是三种应用程序，要求使用非常低噪声的光接收器，以实现快速和弱光信号的检测。 雪崩光电二极管是高量子效率，紧凑尺寸和降低电子复杂性的首选探测器。 增益和温度方面的最佳工作条件是最大化信噪比的关键。
本文描述了使用TE冷却硅雪崩光电二极管的混合光接收机的模型和测量性能。 接收器的响应度和NEP性能将作为温度，信号功率和APD增益的函数来呈现。 在线性模式下，在1060nm波长处已经获得了具有200MHz带宽的仅5fW / sqrt（Hz）的NEP。
关键词：光电二极管雪崩光电二极管信噪比噪声等效功率光接收器跨阻放大器硅APD
引言
硅雪崩光电二极管（Si APD）是波长介于400nm和1100nm之间以及需要高速和低光功率检测的应用的首选光学探测器。 与简单的PN或PIN检测器相比，光生载波的雪崩倍增负责提高信噪比。 误码率或通信系统中的检测概率[1]，扫描视频成像仪[2]中的激光测距仪或NEP的最大距离和距离分辨率可以通过使用APD来改善。
APD增益是人们为了最大化系统性能而必须选择的参数。 增益最大化信号比（SNR）或噪声等效功率（NEP）取决于系统参数; 主要是背景和信号光功率，工作温度和工作波长以及光接收机本身; 即跨阻放大器和APD特性。
本文将介绍用于建立光接收机模型的APD和互阻抗放大器的特性测量。 此处介绍的测量方法非常简单但足够准确，可突出显示关键特性 SNR和NEP将在典型的工作条件下进行模拟。 将特别注意对半导体器件有很大影响的温度。
来自Excelitas的LLAM-1060-R8BH [7]将用于证明光接收机模型的有效性。 LLAM模块使用安装在热电冷却器（TEC）上的长波长增强型APD（来自Excelitas [8]的C30954），可精确控制APD的温度。 C30954适用于检测可见光以及NIR（高达1100nm），非常适合强调一般APD特性。
我们首先从增益 - 电压关系，光谱响应和噪声角度来看APD的特性。 将解释这些温度参数的模型。 接下来，跨阻放大器的频率响应和噪声将成为模型。 最后，仿真将用于突出典型工作条件下APD的最佳工作点。
硅APD
通过载波的雪崩倍增获得的增益对于APD是独特的。 这种增益机制有助于在许多应用中提高SNR，但与简单的PN或PIN检测器相比，其增加了操作复杂性的代价。 APD的结构包括类似于PIN检测器的吸收区域，但是该结构的薄部分允许载体的倍增。
市面上有不同的APD结构。 C30954的结构是一个后入门通道，它提供了高速，低噪音和电容以及扩展红外响应的最佳可用组合。 图1显示了结构。
图1.后方入口“达到”结构。 光子被吸收区域吸收。 电子将漂移到电场使得发生碰撞电离的增益区域。
光子穿过薄前触点（p 区），主要被吸收到产生电子空穴对的吸收区域（pi;）中。 电子在通过电场足够高以允许碰撞电离的倍增区的阴极方向上漂移。 孔朝相反的方向收集在阳极（p侧）。 因此，大多数电子将被注入乘法区域。 由于电子的更高的电离系数[3]，最大化注入乘法区域的电子与空穴的比率减少了APD中产生的噪声。
增益定义为二极管中产生的所有载波的平均乘法。 它是电场和电子和空穴的电离率的函数。 在“达到”之上，电场与施加到APD的偏压成比例。 对于“达到”电压以上的偏置电压，增益是可能的; 即当连接点完全耗尽时。 电离率主要随电场和温度而变化[5]。
对“穿透”结构的简短介绍强调了三个影响APD特性的参数：在倍增区注入的电子与空穴的比率，增益对电场的依赖以及增益与 气温。 我们将展示这是如何翻译APD特性的。
2.1增益和偏置电压
增益在这里定义为测量给定偏置电压的电流与在50V测量的电流的比率。 50V在某种程度上是任意的。 它必须足够低以避免倍增，这意味着它必须低于电压范围，但足够高，以便有一个小电场从APD扫出载流子。 在有效区域的中心施加光，光束半径约为有效区域的1/3。 为避免准确测量，应避免激活外部光线。 当没有信号撞击APD时出现的暗电流必须从测量结果中减去以进行适当的增益计算。
施加已知量的光（大约0.1nW - 1nW）用于测量单位增益响应度，定义为50V时每瓦光信号的电流。 在本文中我们将使用这个定义。
图2显示了C30954增益作为不同温度下偏置电压的函数。
图2. C30954增益电压特性。 900nm的拟合参数：Vbd @25ordm;C= 436V，Delta;Vbd= 2.7V /ordm;C，K = 14000，n = 1.19
增益等于1，直到100V时达到“达到”。 高于该电压时，结点完全耗尽并发生载流子相乘。 增益随着偏置电压的升高而增加，最终在击穿电压下达到无穷大。
增益电压曲线可以通过公式1精确地模拟偏置电压高于穿透率，并由图2中的虚线表示。
（1）
在25℃（Vbd @ 25℃）下的击穿电压最佳拟合值为436V，900nm的模型参数为K = 14000和n = 1.19。 请注意，击穿电压对每个APD都是唯一的，而K和n对于结构来说是典型的。 增益的一个有趣特征是，通过保持击穿电压和工作电压之间的恒定电压差，可以保持恒定，这在击穿电压已知时提供了设置增益的简单方法。 在这种情况下，在击穿电压以下61V时增益为100。
由于空穴和电子电离率与温度的关系，击穿电压随着温度而变化[5]。 击穿电压随着温度的变化近似为线性，允许定义击穿电压温度系数（Delta;Vbd）。 在这种情况下，Delta;Vbd是2.7V /ordm;C。 这个系数可以从一个APD变化到另一个。
图2还显示了在1060nm处测得的增益曲线。 对于1060nm的相同偏压，与900nm相比，增益更小。 这是由于在APD的整个厚度上吸收了长波长。 吸收在倍增区域下面的光子会注入比电子具有更低增益的空穴。 增益主要来自电子倍增，但也有漏洞。 较短的波长被吸收区域吸收，所以增益仅由电子引起。 公式1的增益曲线模型在1060nm处仍然有效，但K必须改为11000以获得良好拟合。
2.2光谱响应
系统的一个重要特征是工作波长。 为应用选择最合适的APD，首先选择能够在工作波长下获得最高单位增益响应度（或者说，换言之，最高量子效率定义为每个光子的电子空穴对数）的APD。
Si APD的光谱响应将取决于其结构，如吸收区域的厚度，入射侧的抗反射涂层和前触点的有效厚度。 影响光谱响应的主要因素是APD的厚度加上硅的吸收系数。 硅（1 /alpha;=1.66mu;m@600nm，23mu;m@ 900nm和633mu;m@ 1064nm）的吸收系数（alpha;）是波长的强函数[4]。 对于长波长来说，较厚的器件是优选的，因为它使吸收的光子数量最大并且对于短波长而言优选为薄的正面接触。 硅吸收系数也随着温度而变化，这意味着量子效率也会随温度而变化。 图3显示了经过优化以检测长波长的C30954 APD的测量光谱响应。
图3.光谱响应曲线。 由于吸收系数与温度的强烈依赖性，对于长波长的单位增益响应度随温度显着变化。
在C30954 APD的情况下，在600nm和1000nm之间波长的响应与温度保持相当恒定。 由于低温下硅的吸收系数较低，从而使光子以较少的吸收通过前触点，所以通常期望在这种结构中低温下的响应度有小的改善。 但是，这里显示的措施并不一致。 这可能是由于用于获得这些曲线的测试设置的精度有限。
容易观察到1mu;m以上波长的响应度的变化。 图4显示了在1060nm的不同温度下测得的响应度。
图4.C30954 APD在-20ordm;C至 90ordm;C的1060nm时的单位增益响应率。 单位增益响应温度系数为0.002A / W /ordm;C。
图4中的线性拟合与1060nm处的单位增益响应温度系数为0.002A / W /ordm;C的测量结果合理一致。
2.3噪音
Si APD噪声电流（in_APD）用公式3给出的McIntyre方程[3]很好地建模。
其中，IDS是表面暗电流，IDB是体暗电流，Ipd是增益为1时的光电流，keff是有效电离比，F是过量噪声因子，M是增益，q是电荷。
噪声电流是来自体暗电流的散粒噪声（等式3中的2qIDS）加上雪崩倍增（2qIM2F）产生的噪声之和。 多余的噪声因子是增益和有效电离比的函数。
无法直接测量有效电离比，但通过注入已知量的光并测量噪声电流，可以使用等式3和4来提取keff。 信号电流必须远高于体积暗电流。 图5显示了在900nm和1047nm进行的测量。
900nm处的有效电离比约为0.017，这是后入射穿透结构的典型值。 显示使用keff = 0.022和0.012的模型来突出显示拟合的精度。 在1047nm处测量的keff约为0.027，这是由于不仅在APD的吸收区域中，而且在倍增区域中和之后吸收光子。 在这些区域吸收的光子会在倍增区域注入空穴，从而产生较高的噪声。
在图10中显示了在1060nm的3个不同温度下计算的电离系数。使用0.030的keff来拟合数据。 增益为1的光电流在70℃时为0.4nA，在40℃时为0.4nA，在25℃时为0.3nA。 结果表明，在1060nm处，有效电离系数可以从25℃到70℃被认为是恒定的。
图5.有效的电离比拟合。 通过测量照亮的噪声电流，使用McIntyre模型的拟合来提取keff。 由于在倍增区域中注入空穴和电子，因此长波长的keff较高。 在900nm处keff = 0.017，在1047nm处为0.027。
图6.在25ordm;C，40ordm;C和70ordm;C时测得的照明电流噪声与增益的函数关系。 该模型在所有温度下都采用0.03的keff，单位增益光电流在70℃时为0.44nA，在40℃时为0.44nA，在25℃时为0.31nA。 在1060nm的这个温度范围内keff可以被认为是恒定的。
表面暗电流不会在倍增区域中倍增，因此与体积暗电流相比，其影响往往可以忽略不计。 然而，如图7所示，表面暗电流随温度而变化。表面暗电流随温度的变化遵循Arrhenius方程，活化能（Ea）为0.7eV（方程式4）。 必须考虑到高温下表面暗电流的影响。
在增益约为100的情况下测量的暗电流在图7中用等式4的拟合示出。在25℃的表面暗电流为50nA。
图7.表面暗电流。 在增益为100时测量，暗电流遵循阿雷尼乌斯方程，激活能量为0.7eV
大体积暗电流是测量此APD最困难的参数。 实际上，大块黑暗的价值很低，不能直接测量。 再次，我们将在没有光线的情况下使用McIntyre模型，并根据增益测量噪声。 McIntyre模型通过调整体积暗电流来拟合是最简单的方法，如图8所示。
图8.大容量暗电流。 合适的体积暗电流大约为0.15pA至0.2pA。 由于用于拟合曲线的近似增益，拟合的精确度值得怀疑。
该模型非常适合900纳米和1047纳米这两个有点奇怪的计算增益。 事实上，这些措施显示了2个不同的keff导致0.16pA左右的相同体暗电流。 用于1064nm的较高keff补偿了与900nm相比较低的计算增益。 图8和图5所示的曲线说明了准确测量keff和体积暗电流的难度。 拟合的有效性严格依赖于对收益的精确了解。 这里定义的方式只是一个近似值。 在[6]中可以找到更多关于电子和空穴增益独立测量的主题。
在Arrhenius方程之后，体积暗电流的温度会变化，其活化能等于Si的带隙的一半，即约0.55eV [5]。
使用电压增益曲线建模APD，单位增益响应度和噪声足以模拟APD是大多数工作条件。 此处开发的模型仅适用于通常使用时的偏置电压。 其他特性如电容，饱和，上升和下降时间以及增益均匀性不包含在此处介绍的模型中，并且在此处被认为是不变的。
APD通常连接到跨阻放大器以形成光接收器; 光学系统的前端。 假设电子设备的其余部分设计良好，光学接收器定义了系统的信噪比。 因此，跨阻放大器也必须建模以预测前端性能。
瞬时放大器
跨阻放大器的设计必须考虑到APD电容。 事实上，与电压放大器相反，电压放大器通常被认为与连接到它的器件无关，互阻抗放大器将会看到它们的特性随着连接到它的检测器而改变。
图9显示了互阻抗放大器的典型模型。
图9.光接收器。 光电二极管由电流源Ipd建模。 等效输入电容是光电二极管和放大器电容的总和。 反馈电阻Rf将互阻抗值设置为低频。 电压放大器增益为-Av。
图9所示的光接收机的频率响应很容易被发现：
接收器的带宽可以通过公式5来计算：
公式5强调了接收器的重要一点。 为了获得高带宽，需要低反馈电阻和电容以及高电压增益。 在高频率获得高电压增益相当困难，因此高频接收器往往具有低反馈电阻。
电压增益在频率上被认为是恒定的，通常不是这种情况。 可以使用一阶系统来更准确地表示电压增益，从而导致二阶系统而不是一阶系统，如等式5所示。
下图显示了光接收器的噪声模型。
图10.光接收机噪声模型
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