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1、3.2 光检测器光检测器3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的实现的。在耗尽层 形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动电子和空穴的扩散运动PN结界面 内部电场 漂移运动 能带倾斜 如果光子的能量大于或等于带隙(hf Eg)当入射光作用在PN结时 发生受激吸收 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流漂移电流相同方向相同方向的扩散电流扩散电流。漂移电流漂移电流分量和扩散电流扩散电流分量的总和即为光生电流光生电流。当与P层和N层连接的电路
2、开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电光电效应效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变线性变化化，从而把光信号光信号转换成电信号电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管光电二极管(PD)。如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施施加加适当的反向偏压反向偏压，目的是增加增加耗尽层的耗尽层的宽度宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量扩散分量。由于载流子扩散运动扩散
3、运动比漂移运动漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应响应速度速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 PIN光电二极管的产生光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率光电转换效率低低，响应速度响应速度慢慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管光电二极管。PIN光电二极管光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3
4、.21。图3.21 PIN光电二极管结构抗 反 射 膜光电 极(n)PNE电 极 中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导本征半导体体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子电子-空空穴对穴对，因而大幅度提高了光电转换效率光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层耗尽层，因而光生电流中漂移分量漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度响应速度。PIN光电二极管具有如
5、下主要特性：(一)量子效率和光谱特性量子效率和光谱特性。(1)光电转换效率光电转换效率用量子效率量子效率或响应度响应度表示。量子效率量子效率的定义为一次光光生电子生电子-空穴对空穴对和入射光子数入射光子数的比值ehfPIhfPeIPP00/入射光子数空穴对光生电子对(3.13)响应度响应度的定义为一次光生电流光生电流IP和入射光入射光功率功率P0的比值)/(0WAhfePIP(3.14)式中，hf 为，e为。（2）量子效率量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱吸收光谱()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c=hc/Eg。图3.22示出和的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m
6、波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6(A/W)。图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m(W-1)Si (二)响应时间和频率特性响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响应能力响应能力用脉冲响应时间脉冲响应时间或截止频率截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上脉冲上升时间升时间r和脉冲下降时间脉冲下降时间f。
7、当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时脉冲响应时间间 =r=f=2.20 (3.16)对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为。当光电二极管具有单一时间常数0时，rcf35.0210（3.17）PIN光电二极管响应时间响应时间或频率特性频率特性主要主要由由光生载流子在耗尽层的渡越时间渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数常数所确定确定。当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为(3.18)2/)2/sin()0
8、()(ddwwwvfsdc42.042.0（3.19）式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度，比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，减小减小耗耗尽层宽度尽层宽度w，可以减小减小渡越时间渡越时间d，从而提高提高截止频率截止频率fc，但是同时要降低降低量子效率量子效率。10100100010000100060020010060 40 20 1064200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.06 mSi-PIN0.950.900.850.800.6328/MHz /m400图3.23 内量子效率和带宽的关系 由电路RC时间常数限
9、制的截止频率截止频率dtccRf21(3.20)式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。wACj(3.21)式中，为，A为，w为宽度。(三三)噪声噪声。噪声噪声影响光接收机的灵敏度灵敏度。噪声噪声包括散粒噪声散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（1）i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。称为量子噪声量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生)是暗电流暗电流产生的噪声。暗电流暗电流
10、是器件在反反偏压偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流反向直流电流。（1）均方热噪声电流均方热噪声电流RKTB4(3.23)i2T=式中，k=1.3810-23J/K为，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。因此，光电二极管的总均方噪声电流总均方噪声电流为 i2=2e(IP+Id)B+RKTB4(3.24)3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流输出电流 I和反偏压反偏压U的关系示于图3.24。随着反向偏压反向偏压的增加，开始光电流光电流基本保持不变。当反向偏压反向偏压增加到一定数值时，光电流光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称
11、为击击穿电压穿电压UB。如果如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的。就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子电子-空穴对空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流载流子子雪崩式倍增雪崩式倍增，见图3.25。所以所以这种器件就称为雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 U暗电流I00UB 图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子
12、）I0NPP(N)光图3.26 APD结构图电 极电 极光抗 反 射 膜NPP(P)E 图3.26示出的N+PP+结构被称为拉通型拉通型APD。对APD特性新引入的参数是倍增因子倍增因子和附加噪声指数附加噪声指数 1.倍增因子倍增因子 倍增因子倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流光电流Io和一次光生光生电流电流IP的比值。PIIg0(3.25)APD的响应度响应度比PIN增加了g倍。nBnBURIUUUIg/)(11)/(100(3.26)U为，UB为，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为。当UUB时，RIo/UB1)是的随机性引起噪声增加的倍数，设F=g
13、x，APD的应为i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中，x为附加噪声指数。同理，产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x (3.27)与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。3.2.4 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体(PIN和APD)的一般性能。是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度灵敏度要求较高的场合，采用有利于延长系统的传输距离。要求不高的场合，一般采用PIN-PD
14、。-5-15-5-15工作电压工作电压 /V120.51结电容结电容 Cj/pF0.21210响应时间响应时间250.11暗电流暗电流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度响应度1.01.60.41.0波长响应波长响应InGaAs-PINSi-PINm/)W/(A1ns/mm表表3.3 PIN光电二极管一般特性光电二极管一般特性ns/0.50.70.30.4附加噪声指数附加噪声指数 x203030100倍增因子倍增因子 g406050100工作电压工作电压 /V60串扰串扰/dB571.31.70.71.3插入损耗插入损耗/dB88电光电光12磁光磁光1010机械机械开关类型开关类型表表3.8 两类光开关一般性能两类光开关一般性能
