DE2732040A1 - PHOTODETECTOR CIRCUIT ARRANGEMENT - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vorspannung einer Lawinen-Fotodiode.The invention relates to a circuit arrangement for biasing an avalanche photodiode.
Die innere Verstärkung einer Lawinen-Fotodiode oder S "Avalanche-Fotodiode (APD)" kann stark von der Vorspannung und der Temperatur abhängig sein. Daher ist es schwierig» den erforderlichen Verstärkungsfaktor einzuhalten. Eine Lösung des Problems besteht darin, eine Konstantstromversorgung für die Lawinen-Fotodiode vorzusehen, wenn der mittlere Signal-Fotostrom groß gegenüber dem Leckstrom ist. Bei dieser Betriebsart hat der Empfänger eine eingebaute automatische Verstärkungsregelung. Die Verstärkung ändert sich, um Schwankungen des optischen Signalpegels zu kompensieren, bleibt jedoch konstant bei TemperatürSchwankungen. Diese Betriebsart ist beispielsweise geeignet in digitalen Systemen, wenn diese für die ungünstigsten Bedingungen ausgelegt sein sollen und wenn ein zusätzlicher Schutz vorgesehen ist. Es besteht dabei jedoch der Nachteil, daß, wenn das empfangene Signal den vorgesehenen Wert übersteigt, das Signal-Rausch-The internal gain of an avalanche photodiode or S "avalanche photodiode (APD)" can vary greatly from the bias and the temperature. Therefore it is difficult »to find the required gain to be observed. One solution to the problem is to provide a constant current supply for the avalanche photodiode to be provided when the mean signal photocurrent is large compared to the leakage current. In this operating mode the receiver has a built-in automatic gain control. The gain changes to Compensating for fluctuations in the optical signal level, however, remains constant in the event of temperature fluctuations. This operating mode is suitable, for example, in digital systems when these are most unfavorable Conditions should be designed and if additional protection is provided. It consists of it however, the disadvantage that if the received signal exceeds the intended value, the signal-to-noise
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Verhältnis nur geringfügig verbessert wird, well die Verstärkung deutlich unterhalb des optimalen Wertes bleibt.Ratio is only slightly improved, well the Gain remains well below the optimal value.
Eine konstante Verstärkung (ohne den inneren Ver-Stärkungseffekt) läßt sich dadurch erreichen, daB nan eine Vorspannung anlegt» die der Temperatur-Schwankung der Vorspannung Vm angepaßt 1st, die für eine vorgegebene Verstärkung M erforderlich ist. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, eine zweite, angepaBte Lawinen-Fotodiode zu verwenden, die maskiert 1st, damit sie nicht beleuchtet wird. Die Durchbruchs-Spannung in Sperrichtung kann als Bezugsspannung für die Schaltung zur Erzeugung der Vorspannung herangezogen werden. Empfänger, die mit diesem Verfahren arbeiten, sind im Handel erhältlich, jedoch sind sie teuer. Es ist schwierig, eine Nachführung über große Temperaturbereiche einzuhalten.A constant reinforcement (without the internal reinforcement effect) can be achieved by applying a bias voltage due to the temperature fluctuation is matched to the bias voltage Vm required for a given gain M. One The possibility of doing this is to use a second, adapted Use avalanche photodiode which is masked so that it is not illuminated. The breakdown voltage in the reverse direction can be used as a reference voltage for the circuit for generating the bias voltage will. Receivers using this method are commercially available, but they are expensive. It is difficult to maintain tracking over large temperature ranges.
Aufgabetask
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Vorspannung einer Lawinen-Fotodiode anzugeben, die die angeführten Nachteile vermeidet.It is the object of the invention to provide a circuit arrangement for biasing an avalanche photodiode which avoids the disadvantages mentioned.
Lösungsolution
Die Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved with the means specified in claim 1. Further training results from the Subclaims.
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Bel der erfindungsgemäßen Lösung 1st das Verhältnis der beiden Fotoströme den Verstärkungen der beiden Fotodioden proportional. Die Proportionalitätskonstante der Fotoströne hängt von den relativen primären Wirkungsgraden der beiden Fotodioden ab und v>n den Anteilen des optischen Signale, die jeweils auf eine Fotodiode fallen. Dieser Faktor ist durch die Art und die Anordnung der beiden Fotodioden bestimmt. Auf diese Heise ist eine elektrische Überwachung der Verstärkung gegeben, die in Form einer Rückkopplung die Vorspannungsversorgung und somit die Verstärkung der gesamten Anordnung steuert.In the solution according to the invention, the ratio of the two photocurrents is the gains of the two Photodiodes proportional. The constant of proportionality of the photo tones depends on the relative primary efficiencies of the two photodiodes and v> n the proportions of the optical signals, each on a photodiode fall. This factor is determined by the type and arrangement of the two photodiodes. To this Heise an electrical monitoring of the amplification is given, which in the form of a feedback the bias supply and thus the amplification of the controls the entire arrangement.
Da die Lawinen-Fotodiode empfindlicher ist als die zweite» nichtversftrkende. Fotodiode und in jedem Falle ein stärkeres Signal empfängt, würde man im allgemeinen ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang der zweiten« nichtverstärkenden Fotodiode erwarten.Because the avalanche photodiode is more sensitive than the second »non-amplifying one. Photodiode and in any case Receiving a stronger signal, one would generally get a good signal-to-noise ratio at the output of the expect second «non-amplifying photodiode.
Tatsächlich ist es gut möglich, daß es viel kleiner als eins ist. Dies ist prinzipiell kein Problem, wenn die Änderungen der Vorspannung (z.B. zur Kompensation von Temperaturschwankungen) langsam verglichen mit dem Signal sind. Um die Bandbreite im Hinblick auf ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu beschränken, werden die beiden Signale gefiltert. Eine Tiefpaßfilterung könnte geeignet sein, würde jedoch Schwierigkelten bereiten, wenn der Leckstrom eine Bedeutung hat. Dies läßt sich beheben, wenn stattdessen so gefiltert wird, daß die Gleichstromkomponente unterdrückt wird. Auf diese Weise werden zur Steuerung derIn fact, it is quite possible that it is much smaller than one. In principle, this is not a problem, though the changes in the preload (e.g. to compensate for temperature fluctuations) are slow compared to the signal are. To limit the bandwidth for a better signal-to-noise ratio, the two signals are filtered. Low pass filtering might be suitable, but would be difficult prepare when the leakage current is a concern. This can be fixed if so instead is filtered so that the direct current component is suppressed. In this way you will be able to control the
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näher erläutert.explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig.1 eine Fotodetektoranordnung gemäß der Erfindung mit diskreten Fotodioden,1 shows a photodetector arrangement according to the invention with discrete photo diodes,
Vorspannung einer Lawinen-Fotodiode mit der erfindungsgemäBen Fotodetektor-Anordnung,Biasing an avalanche photodiode with the photodetector arrangement according to the invention,
Fig.3 eine zu der Schaltungsanordnung nach Fig.2 alternative Schaltungsanordnung,FIG. 3 shows a connection to the circuit arrangement according to FIG alternative circuit arrangement,
Fig.4 eine Fotodetektoranordnung mit einer integrierten Fotodiodenstruktur, und4 shows a photodetector arrangement with an integrated Photodiode structure, and
die Figuren 5 und 6 andere integrierte Fotodiodenstruktüren. Figures 5 and 6 show other integrated photodiode structures.
Bei der in Fig.1 gezeigten Anordnung befindet sich ein Lichtverteiler 1 vor der Lawinen-Fotodiode 2, derart, daß er einen kleinen, jedoch ausreichenden Teil de· empfangenen optischen Signals auf eine zweite, nichtverstärkende Fotodiode 3 wirft. Die elektrischen Ausgangssignale der Lawinen-Fotodiode APD und der zweiten Fotodiode SPD können in einer Schaltung 6, wie in Fig.2 gezeigt, dazu verwendet werden, eine Steuerspannung zu erzeugen, die sich, verglichen mit der Signalspannung, nur langsam ändert. Das Ausgangssignal der Lawinen-In the arrangement shown in Figure 1, there is a light distributor 1 in front of the avalanche photodiode 2, that it transfers a small but sufficient part of the received optical signal to a second, non-amplifying one Photodiode 3 throws. The electrical output signals of the avalanche photodiode APD and the second photodiode SPD can be used in a circuit 6, as shown in FIG. 2, to generate a control voltage which changes only slowly compared to the signal voltage. The output signal of the avalanche
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Fotodiode wird an einen Signalverstärker eines Üblichen Empfängers angelegt. Die Ausgangssignale der Lawinen-Fotodiode APD und der nichtverstärkenden Fotodiode SPD werden einer Filteranordnung 5 zugeführt, um zwei Steuerspannungen V1 und V2 zu erhalten, wobei V1 proportional α und der Verstärkung und V2 proportional α und dem Mittelwert des empfangenen Signals ist. α ist der Anteil des optischen Signals, der auf die nichtverstärkende Fotodiode SPD gelangt. Diese beiden Spannungen VI und V2 sind die Eingangssignale der Vorspannungserxeugungseinrichtung 6, die eine Vorspannung zur Steuerung der Verstärkung der Lawinen-Fotodiode APD abgibt. Diese Verstärkung läßt sich somit entweder auf einen vorgegebenen konstanten Wert oder auf einen Wert steuern, der in einer vorbestimmten Weise von der Leistung des Empfangssignals abhängt. Die Regelung auf einen vom Empfangssignal abhängigen Wert wird bevorzugt, da die optimale Verstärkung vom Signalpegel abhängig ist.Photodiode is applied to a signal amplifier of a standard receiver. The output signals of the avalanche photodiode APD and the non-amplifying photodiode SPD are fed to a filter arrangement 5 by two Obtain control voltages V1 and V2, where V1 is proportional to α and the gain and V2 is proportional α and the mean value of the received signal. α is the portion of the optical signal that is directed to the non-amplifying photodiode SPD arrives. These two voltages VI and V2 are the input signals of the Biasing device 6 which biases to control the gain of the avalanche photodiode APD surrenders. This gain can thus either be set to a predetermined constant value or to a value which depends in a predetermined manner on the power of the received signal. Regulation to a value that is dependent on the received signal is preferred, since the optimum gain is achieved by Signal level is dependent.
wenn man sich für die Methode der konstanten Verstärkung entscheidet, so kann man die Lawinen-Fotodiode APD mit einem Strom versorgen, der ein festee Vielfaches des Ausgangsstroms der nichtverstärkenden Fotodiode SPD ist. Zur Konstanthaltung der Verstärkung kann eine einfachere Schaltungsanordnung verwendet werden, die in Fig.3 gezeigt ist. Bei dieser Schaltung wird der Ausgangsstrom der Fotodiode SPD gefiltert, beispielsweise in einem Tiefpaß 7, und derif you opt for the constant gain method decides, you can supply the avalanche photodiode APD with a current that a Fixed multiple of the output current of the non-amplifying Photodiode is SPD. A simpler circuit arrangement can be used to keep the gain constant used, which is shown in Fig.3. With this circuit, the output current of the photodiode is SPD filtered, for example in a low-pass filter 7, and the
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gefilterte Fotostrom IpD der Fotodiode SPD darauf in einem Verstärker 8, der einen festen Verstärkungsfaktor k hat, verstärkt. Mit diesem verstärkten Strom kIpD wird die Lawinen-Photodiode versorgt.filtered photocurrent I pD of the photodiode SPD on it in an amplifier 8, which has a fixed gain factor k. The avalanche photodiode is supplied with this amplified current kI pD.
Die Schaltungsanordnung nach Fig.3 eignet sich gut zur Integration eines vollständigen optischen Empfängers, wobei beide Fotodioden» der Transistorverstärker und die Verbindungsleitungen auf einem einzigen Halbleiterchip angeordnet sind, der nur eine umgeregelte Vorspannungsversorgung und einige passive äußere Bauelemente zur Voreinstellung der Verstärkung benötigt. Zur Integration der beiden Fotodioden ist eine solche Struktur geeignet, die von einer sogenannten "Durchgriff ^Lawinen-Fotodiode (englisch:"reachthrough avalanche photodiode") ausgeht. Eine solche Struktur, die in Fig.4 gezeigt ist, besteht aus einem Körper 9 aus eigenleitendem Halbmaterial, der an seiner einen Oberfläche eine p>-Zone 1O und an der gegenüberliegenden Seite eine n+ - Zone 11 aufweist, durch die eine p-Zone eindiffundiert ist, so daß ein "vergrabener" pn-übergang besteht. Diese bekannte Struktur ist zur Verwirklichung der Erfindung dadurch verändert, daß in die p+ -Zone eine kleine n-Zone 13 eindiffundiert ist. Der pn-übergang zwischen den Zonen 1O und 13 bildet die nichtverstärkende Fotodiode SPD, wobei die Fläche und Tiefe dieses Übergangs den Anteil des von dieser Fotodiode SPD empfangenen optischen Signals bestimmt. Falls der Absorptionskoeffizient der n-Zone 13 gleich τ~ um beträgt, so würde eine DiffusionThe circuit arrangement according to Figure 3 is well suited for Integration of a complete optical receiver, with both photodiodes »the transistor amplifier and The connection lines are arranged on a single semiconductor chip that only has a reversed bias supply and some passive external components are required to preset the gain. Such a structure is suitable for integrating the two photodiodes, that of a so-called "penetration ^ Avalanche photodiode (English: "reachthrough avalanche photodiode") goes out. Such a structure, which is shown in Figure 4, consists of a body 9 of intrinsic semi-material, which at its one Surface a p> zone 1O and on the opposite Side has an n + - zone 11, through which a p-zone is diffused, so that a "buried" pn-junction consists. This known structure is changed for the implementation of the invention in that in the p + -zone a small n-zone 13 is diffused. The pn junction between zones 10 and 13 forms the non-amplifying one Photodiode SPD, the area and depth of this transition determines the proportion of the optical signal received by this photodiode SPD. If the absorption coefficient of the n-zone 13 is equal to τ ~ μm, a diffusion would occur
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bis zu einer Tiefe von 3 pm eine Absorption von 20 % des einfallenden Lichts bewirken. Es 1st nur ein einziger zusätzlicher Kontakt (an der Fotodiode SPD) notwendig, und die Vorspannung der Lawinen-Fotodiode APD wird in der üblichen Weise zwischen die Zonen 10 und 12 angelegt, wogegen die Vorspannung der Fotodiode SPD zwischen den Zonen 10 und 13 angelegt wird.up to a depth of 3 pm an absorption of 20% of the incident light. Only a single additional contact (on the photodiode SPD) is necessary, and the avalanche photodiode APD bias is between zones 10 and 12 in the usual manner applied, whereas the bias of the photodiode SPD between the zones 10 and 13 is applied.
Die Fig.5 zeigt eine zur Fig.4 alternative Struktur mit einer nichtverstärkenden Fotodiode SPD, die eine pin-Struktur hat. Die bekannte "Durchgriffs"-Lawinen-Fotodiode hat eine eigenleitende Zone 14 innerhalb der p+ -Zone 10 und eine n-Zone 15 innerhalb der eigenleitenden Zone 14. Wenn man einen Wirkungsgrad der pin-Struktur annimmt, falls die Zonen 15, 14 und 10 nacheinanderfolgend etwa 0,5 um, 1,5 um und 0,5 um dick sind, so wird ungefähr 85 % des einfallenden Lichts in das Gebiet der Lawinen-Fotodiode eingestrahlt.FIG. 5 shows a structure that is alternative to FIG with a non-amplifying photodiode SPD, which is a has pin structure. The well-known "punch-through" avalanche photodiode has an intrinsic zone 14 within the p + zone 10 and an n-zone 15 within the intrinsic zone 14. If one assumes an efficiency of the pin structure, if the zones 15, 14 and 10 successively about 0.5 µm, 1.5 µm and 0.5 µm thick, approximately 85% of the incident light is irradiated into the area of the avalanche photodiode.
aus von einer sogenannten "Schutzring"- Lawinen-Fotodiode (englisch "guard ring avalanche photodiode"). Die Grundstruktur dieser Lawinen-Fotodiode enthält einen p-dotierten Halbleiterkörper 16 mit einer am Zentrum eindiffundierten n+ -Zone 17 und einer kreisförmigen Schutzringstruktur Außerhalb der Schutzringstruktur befindet sich eine weitere kreisförmige η-dotierte Zone 19, die den pn-Ubergang der nichtverstärkenden Fotodiode SPD bildet. Die kreisförmige n-Zone 19 ist mit einer lichtundurchlässigen Metallisierungsschicht 2O bedeckt, die von dem p-dotierten Halbleiterkörper 16 durch eine überfrom a so-called "guard ring" - avalanche photodiode (English "guard ring avalanche photodiode"). The basic structure this avalanche photodiode contains a p-doped semiconductor body 16 with a diffused at the center n + zone 17 and a circular guard ring structure. Outside the guard ring structure there is a further circular η-doped zone 19 which forms the pn junction of the non-amplifying photodiode SPD. The circular n-zone 19 is covered with an opaque metallization layer 2O, which is covered by the p-doped semiconductor body 16 by an over
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diesem liegende Isolationsschicht 21 isoliert ist. Jedoch hat die Metallisierungsschicht 20 Kontakt mit der n-Zone 19. Die gesamte Struktur befindet sich auf einem Belag 22, der eine zerstreute Reflexion desjenigen Lichts bewirkt, das nicht von der Lawinen-Fotodiode aufgenommen wird. Somit empfängt die nichtverstärkende Fotodiode SPD nur Licht, das durch das Gebiet der Lawinen-Fotodiode hindurchgegangen ist, und ausreichend stark ist, tun auf die Unterseite der η-dotierten Zone 19 reflektiert zu werden. Die Metallisierungsschicht dient nicht nur als Kontakt für die nichtverstärkende Fotodiode SPD, sondern schirmt auch diese vom einfallenden Licht ab.this lying insulation layer 21 is isolated. However, the metallization layer 20 has contact with the n-zone 19. The entire structure is on a coating 22, which has a scattered reflection of the light that is not picked up by the avalanche photodiode. Consequently the non-amplifying photodiode SPD only receives light passing through the area of the avalanche photodiode has passed through, and is sufficiently strong, do reflected on the underside of the η-doped zone 19 to become. The metallization layer does not only serve as a contact for the non-reinforcing one Photodiode SPD, but also shields this from the incident light.
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