高速光探测器仿真总结（二）
本文摘要（由AI生成）：
文章主要介绍了光探测器的等效电路模型，包括载流子的渡越时间、芯片的寄生RLC参数等，并讨论了这些参数对探测器响应度和带宽的影响。同时，文章还提到了ANSYS电路仿真软件中自带的PIN PD电路模型，并指出该模型存在一些问题，建议读者自己搭建电路。
前面文章稍微总结了下高速光探测器仿真的总思路，完整的场路结合仿真是应该做的，同时也要对仿真结果进行分析，从仿真得到的眼图中的ISI和jitter，评估出由于封装和PCB走线引起的灵敏度劣化程度，最终来预算整个ROSA器件的灵敏度。
在实现场路结合仿真之前，需要完成光探测器（PD或APD）的基础功能分析，即如何实现光电（OE）这个转换过程，大家应该知道，目前的ANSYS electronics desktop，是不支持光电协同仿真的，只支持纯电磁场和电路的仿真，那么要实现OE的转换，就要另寻出路，除非有更强大的光电协同仿真软件出现。
在高频信号分析过程中，一些物理器件比如Laser 、photodiode以及EA chip等，都会用小信号等效电路模型（small-signal equivalent circuit model）来模拟这些器件的行为，通常是S参数以及眼图等，这些小信号模型仿真出来的S参数和眼图，应该能够跟实际测试的S参数和眼图非常接近，同时调整电路中某个阻容件的值，仿真出来的曲线变化规律与器件的实际行为表现也一致，这样就可以用器件的小信号等效电路模型来仿真整个系统的性能。
运用小信号等效电路模型的另外一个好处是，你可以发现一些对性能比较敏感的电容、电感或者电阻等，如果你能将这些阻容件与器件的物理结构对应起来，那么你就可以对器件进行调优，进而将整个器件的性能调整到最好。
备注：半导体物理我完全是门外汉，一些陈述有错误的话，请大家谅解啊！！（1）、一个简单的P-I-N PD切面图如下，从上到下依次为光敏面、重掺杂的P+、耗尽层、重掺杂的N+衬底，黄色的为top层的anode pad和bottom层的大面积cathode pad，当有光照射的时候，在耗尽区会产生电子和空穴。（2）、在给PD加上反偏电压后，就建立一个从N到P的电场E，高中物理就学过，正电子（空穴）会顺着电场方向移动，而负电子会逆着电场方向移动，而电流的方向又定义为正电子移动方向，因此从PD的正极anode会有电流输出，输出电流的大小跟光功率和PD的响应度有呈正比例关系，参考下面粗糙的图
。（3）、根据第二条的陈述，在反偏电压下，从PD的anode端有电流输出，但是这个电流的输出其实是有一个积聚的过程的，既然是积聚，那么就得花点时间。参考下图，当光照射产生电子和空穴时，在整个耗尽层都布满了载流子（电子和空穴），有的载流子离anode pad就远些，有的离得近。离得远，要走到pad的时间就要长点，离得近的就少花点时间，根据公式电流计算公式I=q/t，当电荷q在慢慢增大，电流I也在增大，在经过时间t后，在载流子全部到达pad，电流达到最大，这个时间称之为载流子的渡越时间（transit time）。看起来就是一个rise time和fall time为0的光调制信号，正常也应该是产生rise time和fall time为0的电流信号，但是电流从0到��大有一个积聚过程，也就是rise time和fall time不等于0了，相当于电流经过了一个低通的滤波器，将高频信号过滤掉了，rise time变大了。
（4）、经常会用一个一阶的RC低通滤波器来产生这个载流子的渡越时间tr，tr=R*C，也就是RC时间常数，同时这个RC也决定了这个低通滤波器的带宽，fc=1/(2*pi*R*C) Hz，在电路上有两种描述，取决于你是用电压源还是电流源，两者的仿真结果是一致的，通过AC simulation得到 R=50ohm,C=0.15pF时，仿真3dB带宽为21.6GHz，理论计算也是21.6GHz,具体如下：
（5）、载流子渡越时间是限制探测器响应度的第一个因素，亦是限制带宽的第一个因素，当载流子流出耗尽区后，还有探测器芯片本身的寄生RLC参数会对带宽产生影响，这些RLC具体有：
- 芯片的结电容，这个好理解，PD反偏，PN几乎全部耗尽，在DC下开路，就相当于放了一个电容在那里，电容的大小跟耗尽层厚度有关系，越厚，电容越小，响应度也会高；
- 芯片串联电阻，载流子在耗尽层产生，要经过重掺杂的P+层，才能到到达P contact(金属），因此这个串联电阻其实是有一定电阻率的P+层表现出来的电阻与P contact的金属电阻之和；
- 芯片串联电感，任意金属都存在电感，其实是p contact这些金属的电感；
- 芯片外围的寄生电容，PD芯片的anode pad和cathode pad之间也是存在电容的，这个电容就是外围的寄生电容，对整个ROSA器件的带宽影响很大，高带宽的PD芯片，这个电容都很小。
在ANSYS circuit电路仿真软件中，自带了一个PIN PD的电路模型，如下图中的各种参数，可以看到，除了考虑芯片的寄生参数外，也要考虑载流子的渡越时间，但是这个模型不太好用，我设置好了参数仿真，经常会报各种error，又没有明确的log提示，help说明也只是简单说明，毫无参考价值，所以此模型建议大家慎用。
（6）、现成的模型不好用，就得捋清楚RLC的具体电路关系，自己搭建电路，这个内容留到这下一篇文章来讲，同时也分析一下PD芯片本身的带宽，以及各寄生参数对带宽和波形、眼图的影响。
注意：关于载流子的渡越时间，我还没找到一些有效的计算公式，或者对应的测试方法，完全依赖于PD芯片厂家提供的数据，有点被动，如果大家知道怎么测试这个时间，欢迎在下方留言。
另外关于载流子的渡越时间的描述也不够全面，更加详细的内容大家可以参考半导体物理的书籍，如果我的这个文章存在错误，也敬请大家指出，谢谢！
