光通信中高速PIN光探测器的电容特性研究
发布时间：2020-07-13 02:29
【摘要】：随着现代社会的信息化进程不断加速,网络通信量呈“爆炸式”提高,人们对网络带宽和传输容量的需求日益凸显,高速光纤通信技术作为解决这些问题的主要方法得到了极大的关注。光探测器是高速光纤通信系统中的关键器件,PIN光探测器因其工艺制备流程比较简单,适合大规模生产与集成,在长波长光纤通信系统中具有广泛应用。研究中发现,限制PIN光探测器高速性能的主要因素是载流子渡越时间、RC时间常数和异质结的电荷俘获效应,其中RC时间常数主要制约光探测器在高频时的响应速度,因此电容特性成为高速PIN光探测器设计的重要考虑因素之一。此外,在光电集成领域,电容参数对于建立可以分析信号噪声特性的、统一的PIN光探测器等效电路模型至关重要。因此研究PIN光探测器的电容特性对于光探测器的设计和应用具有重要的意义。本论文主要围绕PIN光探测器的电容特性进行了理论和实验研究,论文的主要研究内容和创新如下:1、建立了基于载流子分类的PIN光探测电容特性理论模型。从PN结的微分电容理论出发,通过对PIN光探测器内部的载流子运动分析,特别是结合光生载流子的堆积模型,同时考虑了器件饱和性能与电容特性的联系,建立了基于载流子分类的PIN光探测电容特性理论模型,该模型可以更好地反映载流子运动对于电容特性的影响,更好地解释电容特性在不同工作条件的变化趋势。2、设计并搭建了基于交流偏压分析和等效电路拟合的PIN光探测器电容特性测量系统。搭建了基于交流偏压的PIN光探测器电容特性测量系统,对不同条件下PIN光探测器电容特性的变化趋势进行测量,测量结果与ATLAS软件仿真结果具有一致性。此外,搭建了基于等效电路拟合的测量系统,基于器件S参数的测量,通过等效电路拟合的方法提取了PIN光探测器的电容特性。通过对比分析,两种测量方法得到的测量结果在变化趋势和数值上具有一致性,同时电容特性的变化趋势与论文提出的理论模型的推导一致。3、研究了入射光功率、反向偏压、吸收层厚度和面积与PIN光探测器电容特性的关系。基于测量和仿真数据,用建立的理论模型解释了入射光功率、反向偏压、吸收层厚度和面积与PIN光探测器电容特性的关系,这些关系有利于高饱和高速PIN光探测器的设计和应用。4、通过仿真和测量结果验证了PIN光探测的电容特性随入射光功率先增大后减小的趋势。发现了PIN光探测器电容特性在输入光功率较大时的下降趋势,对于完善电容特性的理论模型具有重要意义。5、发现了PIN光探测器的电容在饱和点附近达到最大值和光探测器电容特性的随入射光功率的变化与器件的饱和特性间的联系。通过仿真和测量,结合理论分析论证了联系的正确性,提出用电容特性随入射光功率的变化来衡量器件饱和性能的一种方法。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN36;TN929.1
【图文】：
信技术的发展离不开半导体器件的不断创新，特别是半导导体光探测器是光纤通信系统的关键构成部分，ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ１５５０ｎｍ这两个波长的光具有高电子迁移率，同时ＩｎＧａＡｓ数高，因此ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ光探测器在光纤通信系统中有广为ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ光探测器的典型代表，因其结构简单，工模生产与集成中有较大优势，特别是垂直入射的ＰＩＮ光光面积，使得光纤传输的光信号能更好地耦合进入光探信系统中具有广泛应用。逡逑探测器来源于基础的ｐ－ｎ型光探测器，ｐ－ｎ型光探测器工个光子进入到光探测器中，如果光子能量ｈｖ邋＞邋＆邋＝料的禁带宽度，是其价带能量，＆是其导带能量，ｈ为普率．半导体材料吸收光子发生能级跃迁产生光生载流子，光的作用下，通过漂移和扩散运动到达两侧的电极，最终转，此过程便将光信号或光能量转化为电信号或电能量。逡逑
逡逑型材料和ｎ型材料，如图２－２所示。当１层全部耗尽时，外加的偏置电压在ｉ逡逑层形成电场，光子进入ｉ层后被完全吸收并产生光生载流子，载流子在电场的作逡逑用下通过漂移和扩散运动到达两端的电极转化为外电路的光电流，极大地提升了逡逑光探测器的响应速度，形成了目前使用较为广泛的ＰＩＮ光探测器。逡逑ｐ－ｃｏｎｔａｃｔ邋ｌａｙｅｒ逡逑ｒ邋＊邋－－＾ｅｔｅｃｆｒｏｎｓ逦．邋，邋＿ｃ逡逑？逦入［ｉｍ逡逑…X/—？邋一＾邋一－邋ｏｐｔｉｃｓ！逡逑？S茫看哄澹椋睿穑酰翦澹欤椋纾瑁翦义希校悖铮睿簦幔悖翦危皱危悖澹拢义希掊澹ā！＃义希瑁铮欤澹
本文编号：2752822
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN36;TN929.1
【图文】：
信技术的发展离不开半导体器件的不断创新，特别是半导导体光探测器是光纤通信系统的关键构成部分，ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ１５５０ｎｍ这两个波长的光具有高电子迁移率，同时ＩｎＧａＡｓ数高，因此ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ光探测器在光纤通信系统中有广为ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ光探测器的典型代表，因其结构简单，工模生产与集成中有较大优势，特别是垂直入射的ＰＩＮ光光面积，使得光纤传输的光信号能更好地耦合进入光探信系统中具有广泛应用。逡逑探测器来源于基础的ｐ－ｎ型光探测器，ｐ－ｎ型光探测器工个光子进入到光探测器中，如果光子能量ｈｖ邋＞邋＆邋＝料的禁带宽度，是其价带能量，＆是其导带能量，ｈ为普率．半导体材料吸收光子发生能级跃迁产生光生载流子，光的作用下，通过漂移和扩散运动到达两侧的电极，最终转，此过程便将光信号或光能量转化为电信号或电能量。逡逑
逡逑型材料和ｎ型材料，如图２－２所示。当１层全部耗尽时，外加的偏置电压在ｉ逡逑层形成电场，光子进入ｉ层后被完全吸收并产生光生载流子，载流子在电场的作逡逑用下通过漂移和扩散运动到达两端的电极转化为外电路的光电流，极大地提升了逡逑光探测器的响应速度，形成了目前使用较为广泛的ＰＩＮ光探测器。逡逑ｐ－ｃｏｎｔａｃｔ邋ｌａｙｅｒ逡逑ｒ邋＊邋－－＾ｅｔｅｃｆｒｏｎｓ逦．邋，邋＿ｃ逡逑？逦入［ｉｍ逡逑…X/—？邋一＾邋一－邋ｏｐｔｉｃｓ！逡逑？S茫看哄澹椋睿穑酰翦澹欤椋纾瑁翦义希校悖铮睿簦幔悖翦危皱危悖澹拢义希掊澹ā！＃义希瑁铮欤澹
本文编号：2752822
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