通信用光电二极管的设计优化和最新趋势

用于通信应用的光电二极管的主要特性

光收发器中使用的通信应用光电二极管要求设计具有针对每种应用和用途优化的材料和结构。本文将讨论这些设计的基本原理。
光电二极管性能在很大程度上取决于暗电流、响应度、电容和带宽。我们将首先解释光电二极管设计的这些基本构建块。需要注意的是，在实际设计中，必须进行权衡，才能在这些性能冲突因素之间达到所需的平衡。

• 暗电流（符号：I _d）
  暗电流是当光电二极管上没有光线时产生的小电流。它主要由热量或泄漏电流引起，是噪声的主要原因，直接影响器件性能。因为它直接影响信噪比，所以应将暗电流水平降至最低。虽然可以通过材料选择、制造工艺优化和较低的工作温度来实现还原，但需要权衡响应性，并且暗电流较小的设计响应速度也较差。在需要高响应度和低噪声的用例中，暗电流是一个特别重要的参数，用作设备质量和性能的指标。
  
• 响应度（符号：R）
  光电二极管的响应度是电流输出与入射光强度的比率。即使在光线较弱的情况下，高响应性设备也会产生大电流，但噪音也可能增加。因此，为特定用例选择适当的响应级别非常重要。特别是，PIN 光电二极管的响应度和带宽之间存在权衡。高响应度设计非常适合检测微弱信号，但在需要快速响应的情况下，必须平衡响应度和带宽。响应性设计必须根据应用程序的要求适当而仔细地完成。
  
• 电容（符号：C、Cs、Cp）
  光电二极管的电容是它在设备内存储电荷的能力。此参数对响应速度和响应速度有重大影响。高电容会减慢响应速度，但低电容会降低响应速度。对于需要快速响应速度的应用，保持低电容很重要，但必须仔细考虑响应度的权衡。光电二极管电容受器件光吸收层的宽度和孔径大小的影响。电容也用于带宽计算 — 可以使用测量值来估计带宽。
  
• 带宽（符号：BW）
  光电二极管的带宽是它可以转换为电信号的光的频率范围。带宽越高，对信号变化的响应就越快。这样可以实现高速运行，但过高的带宽会影响性能的其他方面。在光通信系统中，与其他组件的一致性很重要，有必要根据整个系统的需要选择合适的带宽。PIN 光电二极管的带宽和响应度之间存在权衡，因此根据应用平衡它们非常重要。适当的带宽设计是优化系统性能和可靠性的关键因素。

加速设计优化点

在这里，我们将讨论优化光电二极管设计的关键点。
首先，我们将研究带宽和电容之间的关系。光电二极管的带宽越高，它的运行速度就越快。那么，应该如何设计电容来增加带宽呢？这显示在下面的公式中。

带宽 F 是根据带宽 Fcr （由电容 C 和电阻 R 得出）和带宽 Fv （由光电二极管中的载流子作为电流流出所需的时间 “t” 得出）计算得出的。

这些公式显示了高速设计的以下两个关键点。
・ 降低电容 C
・缩短承运人运输时间
在光电二极管设计中，优化这些值很重要。

接下来，我们将研究降低电容 C 的方法。
PIN 光电二极管器件的电容取决于有效区域中 PIN 结的厚度和形状。

上图显示了一个基于器件电容计算的带宽示例。在 PIN 光电二极管中，随着主有效区域（I 层）变厚，P 层和 N 层之间的距离增加。这减少了可以存储的电荷量，从而降低了光电二极管的电容。随着电容的降低，带宽增加。带宽是设备可以有效运行的频率范围。

为什么容量越小，带宽就越大?想象一下水桶里的水的取放就容易理解了。容量较大 (较大的水桶) 时，取放水需要较长时间，但容量较小 (较小的水桶) 时，您可以快速处理取放水 (信号变化) 。这意味着您可以处理更快的信号更改，从而增加带宽。

缩短托架运行时间t的步骤

接下来，我们如何缩短 PIN 光电二极管中的载流子传输时间 t？
承运人运输时间 t 可以使用以下公式计算。

• d:InGaAs层厚度 (载体行走距离)
• v _d：载体运行速度（运行速度采用论文等的理论值）

从这个等式中，你可以看到你可以通过“减少作为载体里程的I层”来缩短载体的运行时间。

另一方面，传输时间 t 与带宽成反比。
下图显示了根据运营商传输时间计算带宽的一个例子。

可以看出，带宽随着光接收部分的厚度变薄 (载波的运行时间变短) 而增加。原因是电子和空穴的移动需要时间，如前一个桶的例子所示，并且跟随频率变化的速度变慢。

灵敏度与带宽之间的关系

现在，让我们看看灵敏度和带宽之间的关系。

响应度和带宽是光电二极管设计中极其重要的因素。两者之间存在权衡，迫使设计人员找到一个谨慎的平衡点。
为了提高响应性，光吸收层变得更厚。这使它能够捕获更多的光并将其转换为更多的电信号。

但是，光吸收层越厚，产生的电子和空穴 (载流子) 移动的距离就越长。增加的传输时间会限制带宽 (对信号变化的响应速度) 。

设计人员必须调整这些元件，以针对预期应用优化光电二极管。当检测弱光很重要时，它们可能会优先考虑响应性，并强调高速通信的带宽。

如上所示，光电二极管中的各种元件就像天平的末端——升高一侧意味着另一侧会下降。光电二极管设计的关键是考虑这些权衡，并为特定应用找到最佳平衡点。

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