光检测器(APD 特性表征公式) PPT课件
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光纤通信光检测器与光接收机PPT课件
NF3 1 G1G2
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4.4 光接收机的信噪比
在光纤通信系统中，通常要求光电二极管能检测出微弱的光信号。 为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器电路进 行最优化设计，以此来保证一定的信噪比。 光接收机输出端的信噪比S/N定义为
w td vd
一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子都可以达到它们的散射极限速度。 典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10um，极限响应时间为0.1ns。
第24页/共72页
上升时间的快速反应分量源于耗尽区产生的载流子，
而慢速分量则是源于距离耗尽区边界处的载流子的扩散。
在光脉冲的后沿，耗尽区的光脉冲吸收得很快，所以在下降时间里产生 了快速分量，在距耗尽区边界以内的载流子扩散造成了脉冲后沿的一个 很慢的延迟拖尾。
第12页/共72页
光 一次电子
高电场
第14页/共72页
§4.2 光电二极管的工作特性
光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系 数及噪声等。这里仅讨论响应度和量子效率。
1、量子效率
单位时间产生的电子数 单位时间注入的光子数
Ip /e
Pin / h
式中 e是电子电荷， h是普朗克常数。
光检测器负载电阻的均方热噪声电流为：
ST
(
f
)BT 0 RL
df
4k BTB RL
K：玻耳兹曼常数 T：绝对温度
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光电检测器的特性
响应度
量子效率 截止波长 倍增因子 响应时间
噪声
I p RPin
M IM Ip
对于pin
量子噪声
对于APD
R e
光检测器(APD特性表征公式)
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。 它在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到 光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽 区附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴 对在外部电场作用下定向移动产生电流。
只有少数载流子在电场作用下漂移
光检测器(APD特性表征公式)
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主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光 /电信号的转换。对光检测器的基本要求是：
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流；
- 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管 和APD雪崩光电二极管。
1. 能量大于或等于带隙
能量Eg的光子将激励价
带上的电子吸收光子的
能量而跃迁到导带上，
+-
可以产生自由电子空穴
对 (光生载流子)。
2. 耗尽区的高电
场使得电子空穴
对立即分开并在
反向偏置的结区
中向两端流动，
然后它们在边界
处被吸收，从而
在外电路中形成
光电流。
电子和空穴的扩散长度
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
例 (续)
光检测器暗电流：
iD2B 2qID B 2(1.6 1019 C)(4 109 A)(20106 Hz) 2.561020 A2
负载均方热噪声电流为：
iT2
4kBT B 4(1.381023 J / K)(293K) 20106 Hz 3231018 A2
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时 的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般 为 2.5~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光 子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的 增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1 之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
iN2
2 N
iQ2
iD2 B iD2 S
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 m 0.942 A/W
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例
如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
光 电 探 测 器ppt课件
*
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
光电检测器PPT课件
3. 为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变 化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。
C1
Ι ΑΜ τ LV DD
C1δC2δ2C3
C1 C2 C3
光电倍增管供电. 电路图
32
32
§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管 光电倍增管的供电电路
4. 接地方式：倍增管的接地方式有两种，即阴极接地或 阳极接地.
.
29
29
§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管 光电倍增管的供电电路
1. 倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级 的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来 供电。一般情况下，各级电压均相等，约80～100V， 总电压约1000～1300V。
C1 C2 C3
光电倍增管供电. 电路图
30
30
§2-2 真空光电探测器件
3.阳极伏安特性曲线是指阳极电流与阳极和最 末一级倍增极之间电压的关系。
4.在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来 进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。
.
24
24
阳极伏安特性曲线
.
25
25
§2-2 真空光电探测器件
光电倍增管
光电特性
光电倍增管的的主要参量与特性
1. 阳极光电流与入射
于光电阴极的光通量之 间的函数关系。
2.噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪
声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率
（通量）的有效值。即
IA/InA=1时， NEP=InA/SA
它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。
.
28
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§2-2 真空光电探测器件
光检测器和光接收机学习PPT
线性动态范围
01 线性动态范围：指光检测器或光接收机在保持线 性响应时的输入光功率范围。
02 线性动态范围越大，光检测器或光接收机的性能 越好，能够探测到的光信号范围越广。
03 在实际应用中，需要根据具体需求选择合适线性 动态范围的光检测器或光接收机。
04
光检测器和光接收机的技术发展与趋
势
高速光检测器技术
护和可持续发展提供科学依据。
THANKS
感谢观看
光检测器和光接收机学习
• 光检测器和光接收机概述 • 光检测器和光接收机的分类与比较 • 光检测器和光接收机的性能指标 • 光检测器和光接收机的技术发展与趋
势 • 光检测器和光接收机的应用案例
01
光检测器和光接收机概述
光检测器和光接收机的定义
光检测器
光检测器是一种能够将光信号转 换为电信号的器件，常用于光纤 通信、光电传感器等领域。
应用于粒子探测、光谱分析、激光雷达等领域。
光电导探测器
总结词
光电导探测器是一种基于半导体材料的光电检测器，利用材料电阻随光照变化的 特性实现光信号的检测。
详细描述
光电导探测器利用半导体材料的光电导效应，当光照变化时，材料电阻发生变化 ，从而引起电信号的变化。光电导探测器具有响应速度快、灵敏度高、线性范围 宽等特点，广泛应用于高速光通信、光纤传感、光谱分析等领域。
光电倍增管
总结词
光电倍增管是一种高灵敏度的光电检测器，通过多个级联的 dynode 实现光电流的放 大。
详细描述
光电倍增管由多个 dynode（打拿极）组成，当光子打在光电倍增管的阴极上时，光子 能量转化为电子能量，电子经过各级 dynode 的加速撞击，产生更多的电子-空穴对， 从而实现光电流的放大。光电倍增管具有高灵敏度、低噪声、响应速度快等特点，广泛
第五章光检测器和光接收机课件
.
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
.
(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
.
※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
.
光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
.
2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
.
注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
.
二. 光电二极管的波长响应
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
.
(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
.
※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
.
光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
.
2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
.
注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
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二. 光电二极管的波长响应
光检测器(APD 特性表征公式)
ℜ=
ηq
hv
=
ηq λ
hc
=
(6.6259 C)λ
−34
J ⋅ s 3 ×108 m/s
)(
)
= 7.25 × 105 λ
当波长为1300 nm时：
ℜ = 7.25 ×105 (A/W )/m 1.30 ×10 −6 m = 0.942 A/W
[
](
)
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例 如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
ηq
hv
(A/W)
例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 µW，则产生的光 电流为：
I p = ℜPin = (0.65 A/W ) × (10 µW ) = 6.5 µA
响应度、量子效率 vs. 波长
0.9 1.0
η=
Ip /q Pin / hv = (1 − R f ) 1 − e −α s (λ )w
(
)
给定波长，η与Pin无关 0.65 0.45
ℜ= Ip Pin =
ηq ηqλ
hv = hc
给定波长，R为常数
由光子能量不足造成
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的 量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
噪声来源
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初 级光电流为： ηq P (t ) = I DC + i p (t ) i ph (t ) = hv 对于pin，均方信号电流为：
ηq
hv
=
ηq λ
hc
=
(6.6259 C)λ
−34
J ⋅ s 3 ×108 m/s
)(
)
= 7.25 × 105 λ
当波长为1300 nm时：
ℜ = 7.25 ×105 (A/W )/m 1.30 ×10 −6 m = 0.942 A/W
[
](
)
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例 如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
ηq
hv
(A/W)
例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 µW，则产生的光 电流为：
I p = ℜPin = (0.65 A/W ) × (10 µW ) = 6.5 µA
响应度、量子效率 vs. 波长
0.9 1.0
η=
Ip /q Pin / hv = (1 − R f ) 1 − e −α s (λ )w
(
)
给定波长，η与Pin无关 0.65 0.45
ℜ= Ip Pin =
ηq ηqλ
hv = hc
给定波长，R为常数
由光子能量不足造成
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的 量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
噪声来源
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初 级光电流为： ηq P (t ) = I DC + i p (t ) i ph (t ) = hv 对于pin，均方信号电流为：
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
6
20
A
2
负载均方热噪声电流为：
i
2 T
4 k BT RL
B
4 (1 . 38 10
23
J / K )( 293 K )
1k W
20 10 Hz 323 10
6
18
A
2
信噪比
S N
ip M
2
2
2
2 q ( I p I D ) M F ( M ) B 2 qI L B 4 k B TB / R L
光检测器介绍
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是：
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
Ip /q Pin / hv
例
有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内 共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：
5 . 4 10 6 10
6 6
90 %
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
20
A
2
负载均方热噪声电流为：
i
2 T
4 k BT RL
B
4 (1 . 38 10
23
J / K )( 293 K )
1k W
20 10 Hz 323 10
6
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A
2
信噪比
S N
ip M
2
2
2
2 q ( I p I D ) M F ( M ) B 2 qI L B 4 k B TB / R L
光检测器介绍
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是：
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
Ip /q Pin / hv
例
有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内 共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：
5 . 4 10 6 10
6 6
90 %
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
《光纤通信》课件第3章 光源与光检测器
3.3.1 多纵模LD
如果激光器同时有多个模式振荡, 就称为多模激光 器MLM（Multiple Longitudinal Mode）。
3.2.2 注入电流(I)与光功率(P)响应特性
从光与物质相互作用的角度看， 半导体激光器的特 性是腔内光场与电子空穴对相互作用的结果。它与注入 载流子密度和产生的光子密度变化有关。这可用速率方 程（形象地表述了物质（电子数）与光场（光子数）之 间的相互作用）来描述。为了简化，设激光器的电流注 入是均匀的，光子被完全限制在激活区内， 光子和电子 在腔内均匀分布。二能级系统的速率方程可写为
在粒子数反转分布情况下， 导带中的电子数是很 多的， 如图3.3(b)所示。 这时如有光照射， 将有更多 的电子通过受激辐射从导带跃迁到价带（当然是与通 过受激吸收从价带跃迁到导带的电子数相比）， 实际 上这就是半导体光放大器产生光增益或粒子数反转的 条件。
图3.3 P (a) 热平衡; (b) 粒子数反转
3.1 半导体LD的工作原理
3.1.1 光放大 1. 受激辐射的概念 大家已经知道， 任何一个物理系统如原子内部的电
子是处于不同的能量轨道上的， 电子在每一个这样的轨 道上运动时具有确定的能量， 称为原子的一个能级。 能级图就是用一系列的水平横线来表示原子内部的能量 关系的。 当原子中的电子与外界有能量交换时， 电子 就在不同的能级之间跃迁， 并伴随有能量如光能、 热 能等的吸收与释放。
Ｎ型半导体中的电子将向Ｐ型半导体扩散， 将形成如图 3.4(b)所示的在Ｐ型半导体中有净负电荷, 在Ｎ型半导体中 有净正电荷的状态。 它们组成了ＰＮ结的空间电荷区， 也称为耗尽层。 没有外加偏置电压时， 少数载流子即Ｐ 型半导体中的电子和Ｎ型半导体中的空穴将保持原有的热 平衡。 当有正向偏置电压施加在ＰＮ结上时(如图3.4(c)所 示), 耗尽层的厚度将减小， Ｎ型半导体中的电子将向Ｐ型 半导体漂移， 漂移运动的结果使Ｐ型半导体的导带中有了 电子； 同样， Ｐ型半导体中的空穴将向Ｎ型半导体漂移， 漂移运动的结果使Ｎ型半导体的价带中有了空穴。 当正向 偏置电压足够大时， 增加的少数载流子引起了粒子数反转， 因此， ＰＮ结可用作光放大器。
《光源与光检测器》课件
LED
效率高、寿命长、体积小、控制简单，成本也在逐 步降低。
激光器
单色性好、方向性强、光强大，但成本高，应用较 为专业。
光源特性
光强
量化光源强度的指标，单位为坎德拉。
相干性
光源发出的光线是否在时间和空间上保持一定的 相位关系。
谱分布
光源发出的光线不是单一波长，而是由多个频率 的光线复合而成。
极化态
应用场景进行选择。
3
线性范围
光电测量值与光信号的线性关系，应该
信噪比
4
尽量保持。
信号与背景噪声之比，高信噪比能提高 信号检测的精度。
应用案例
光电传感器
常用于测量、控制、分选等 场合。
光电编码器
将旋转或线性位移转换成光 电信号，用于测量位置和速 度。
光学测量仪器
如光谱仪、测频仪等，常用 于科学研究和工程设计。
光源发出的光线电矢量的振动方向。
常见光检测器
光电二极管
响应速度快，控制简 单。
光敏电阻
响应速度慢，但控制 简单，成本低。
光电倍增管
响应速度快，但价格 较高。
应用案例
如光电传感器、自动 光控分选机、分光仪 等。
光检测器特性
1
响应速度
一般以时间常数来衡量，数值越小则响
响应波长
2
应速度越快。
光检测器对应的波长范围，应根据实际
《光源与光检测器》PPT 课件
光源与光检测器是光电领域的两个核心组成部分，本课程将介绍它们的种类、 特性和应用。
作用
光检测器
将光信号转换成电信号，用于控制或测量。
光源种类
白炽灯
效率低，寿命短，但成本低。
日光灯
APD 特性
APD的工作原理
• APD是通过在其结构中构造一个强电场区， 当光入射到PN结后，光子被吸收产生电 子-空穴对，这些电子-空穴对运动进入强 电场区后获得能量做高速运动，与原子 晶格产生碰撞电离出新的电子-空穴对， 该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。
APD的结构
入射光 抗反射膜 强电场区
N P I（P） P
量子效率=光生电子-空穴对数／ 入射光子数，即
I P hf η = P0 e 响应度 R ——是光生电流 I P和入
射光功率 P0 的比值
噪声特性
噪声直接影响光接收机的灵敏度。光电二 极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪 声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的 热噪声。通常噪声用均方噪声电流描述。 • 均方散粒噪声电流
第十一讲光电检测器主要内容一光电检测器的基本工作原理三雪崩光电检测器apd一光电检测器的工作原理光电检测器是外加反向偏压的pn结当入射光作用时发生受激吸收产生电子空穴对这些电子空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流同时在耗尽层两侧部分电子空穴对由于扩散运动进入耗尽层在电场作用下形成扩散电流这两部分电流之和为光生电流
PIN光电检测器的工作原理
• PIN是为提高光电转换效率而在 PN结内部设置一层掺杂浓度很低 的本征半导体（I层）以扩大耗尽 层宽度的光电二极管。
PIN的工作原理示意图
能 量
P+ 光
I
N+
W
PIN光电检测器的结构
入射光 抗反射膜 电极
+
P I
N
+
电极
E
PIN光电检测器的主要特性
• • • • • 量子效率 光谱特性 响应时间 频率特性 噪声特性
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耗尽区内产生的光生载流子
耗尽区宽度 td 载流子漂移速度
w vd
一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的 极限速度。
例如：耗尽层为10 mm的Si光电二极管 电场强度：20000 V/cm 电子最大速度：8.4 x 106 cm/s 空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s 极限响应时间：~0.1 ns
在理想情况下r = f，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度 远小于漂移速度，使得r≠f，造成脉冲不对称。
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时 的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般 为 2.5~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光 子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。
负载均方热噪声电流为：
iT2
4kBT B 4(1.381023 J / K)(293K) 20106 Hz 3231018 A2
RL
1kW
信噪比
S N
2q(I p
i
2 p
M2
ID )M 2F (M )B 2qILB 4kBTB / RL
小结：对于 pin 光电二极管，主要噪声电流来自检测器负载电 阻和放大电路的有源器件；而对于雪崩二极管，热噪声并不占 重要地位，主要噪声来源于光检测器的量子噪声和体暗电流。
2 s, pin
i
2 p
(t
)
对于APD，均方信号电流为：
is2
2 s, APD
i
2 p
(t
)
M2
噪声部分：量子噪声和暗电流噪声
光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有随机 性，从而带来量子噪声。对于接收带宽为B的接收机，量子噪 声均方根电流由下式决定：
iQ2
2 Q
2qIP BM 2 F(M )
噪声来源
雪雪雪雪
hv RL
雪雪 雪雪雪
(雪 雪 )雪 雪 雪 雪 雪
hv
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初 级光电流为：
i ph
(t)
q
hv
P(t)
I DC
ip
(t)
对于pin，均方信号电流为：
is2
5.4 106 6 106
90%
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
pin的响应度
光电二极管的性能常使用响应度来表征：
I p q (A/W)
Ip /q Pin / hv
1
Rf
1 es w
给定波长，与Pin无关
I p q q
Pin hv hc
给定波长，R为常数
由光子能量不足造成
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
只有少数载流子在电场作用下漂移
多数载流子的 扩散行为被反 向电场抑制
由于常态下少数载流子含量很少，因此漂移行为非常微弱
pin光电二极管的结构
pin 光电二极管是在掺杂浓度很高的p型、n型半导体之间加 一层轻掺杂的n型材料，称为i (本征)层。由于是轻掺杂，电 子浓度很低，加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层。
6.6251034 J s 3108 m / s
5 107W
0.235mA
倍增因子M为：
M I M 10mA 43 I p 0.235mA
6.2 光检测器噪声
输出端光信噪比： S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)
为了得到较高的信噪比： 1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率 2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低
其中F(M) Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。
另外暗电流是指，没有光入射时流过检测器偏置电路的电
流，它是体暗电流iDB和表面暗电流iDS之和。iDB来自于检测器 的pn结内因为热运动而产生的电子空穴。对于APD，iDB为：
iD2B
2 DB
2qIDBM 2F
M
会被雪崩区放大
表面暗电流由表面结构(缺陷、清洁程度、面积大小)和偏置电 压决定：
耗尽区
高阻材料
设计动机：在光生 电流尚未遇到后续 电路的热噪声时已 经在高电场的雪崩 区中得到放大，因 此有助于显著提高 接收机灵敏度
工作过程
拉通型雪崩二极管 (RAPD)
高阻材料 带有少量p掺杂的本征材料
p+ppn+结构
“拉通”来源于其工作情况，当施加一个较低的反向电压时， 大部分电压降在pn+结上。当电压增加时，耗尽区宽度增加， 直到pn+结上的电压低于雪崩击穿电压5%~10%时才停止， 此时耗尽区正好拉通到整个本征p区。
第六章 光检测器
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是：
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 m 0.942 A/W
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例
c
hc Eg
6.6251034 J s 3108 m / s
1.43eV (1.61019 J / eV )
869nm
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
Pw Pin (1 esw )
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
当电载流子在材料中流动时，一些电子 - 空穴对会重新
复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp， 这个距离即扩散长度，分别由下式决定：
Ln Dn n 1/2
Lp Dp p 1/2
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，n和p为电子和空穴
重新复合所需的时间，称为载流子寿命。 在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：
目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴对 在外部电场作用下定向移动产生电流。
P(x) P0 (1 es ()x )
P(x)
其中s()为材料在波长处的吸收
系数，P0是入射光功率，P(x)是通 过距离x后所吸收的光功率。
s() 增加
x
不同材料吸收系数与波长的关系
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
光子能量增大方向
材料的截止波长c由
其带隙能量Eg决定：
c
hc Eg
1.24 Eg (eV)
若波长比截止波长更长， 则光子能量不足以激励出 一个光子。
此图还说明，同一个 材料对短波长的吸收很强
烈 (s大) 。而且短波长激
发的载流子寿命较短，因 为粒子的能级越高组成的，在300 k时 其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为：
类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：
APD
q
hv
M
pin M
例
一种硅APD在波长900 nm时的量子效率为65%，假定0.5 mW的光功率产生的倍增电流为10 mA，试求倍增因子M。初 级光电流为：
Ip
Pin
qPin
hv
q
hc
Pin
0.65(1.61019C)(9107 m)
Pin hv 例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光 电流为：
I p Pin (0.65 A/W) (10 μW) 6.5μA
响应度、量子效率 vs. 波长
0.65
1.0 0.9 0.45
例
InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级
体暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率=0.90，
表面暗电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收 机带宽为20 MHz，计算接收机的各种噪声。
首先计算初级光电流：
耗尽区宽度 td 载流子漂移速度
w vd
一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的 极限速度。
例如：耗尽层为10 mm的Si光电二极管 电场强度：20000 V/cm 电子最大速度：8.4 x 106 cm/s 空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s 极限响应时间：~0.1 ns
在理想情况下r = f，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度 远小于漂移速度，使得r≠f，造成脉冲不对称。
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时 的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般 为 2.5~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光 子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。
负载均方热噪声电流为：
iT2
4kBT B 4(1.381023 J / K)(293K) 20106 Hz 3231018 A2
RL
1kW
信噪比
S N
2q(I p
i
2 p
M2
ID )M 2F (M )B 2qILB 4kBTB / RL
小结：对于 pin 光电二极管，主要噪声电流来自检测器负载电 阻和放大电路的有源器件；而对于雪崩二极管，热噪声并不占 重要地位，主要噪声来源于光检测器的量子噪声和体暗电流。
2 s, pin
i
2 p
(t
)
对于APD，均方信号电流为：
is2
2 s, APD
i
2 p
(t
)
M2
噪声部分：量子噪声和暗电流噪声
光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有随机 性，从而带来量子噪声。对于接收带宽为B的接收机，量子噪 声均方根电流由下式决定：
iQ2
2 Q
2qIP BM 2 F(M )
噪声来源
雪雪雪雪
hv RL
雪雪 雪雪雪
(雪 雪 )雪 雪 雪 雪 雪
hv
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初 级光电流为：
i ph
(t)
q
hv
P(t)
I DC
ip
(t)
对于pin，均方信号电流为：
is2
5.4 106 6 106
90%
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
pin的响应度
光电二极管的性能常使用响应度来表征：
I p q (A/W)
Ip /q Pin / hv
1
Rf
1 es w
给定波长，与Pin无关
I p q q
Pin hv hc
给定波长，R为常数
由光子能量不足造成
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
只有少数载流子在电场作用下漂移
多数载流子的 扩散行为被反 向电场抑制
由于常态下少数载流子含量很少，因此漂移行为非常微弱
pin光电二极管的结构
pin 光电二极管是在掺杂浓度很高的p型、n型半导体之间加 一层轻掺杂的n型材料，称为i (本征)层。由于是轻掺杂，电 子浓度很低，加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层。
6.6251034 J s 3108 m / s
5 107W
0.235mA
倍增因子M为：
M I M 10mA 43 I p 0.235mA
6.2 光检测器噪声
输出端光信噪比： S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)
为了得到较高的信噪比： 1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率 2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低
其中F(M) Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。
另外暗电流是指，没有光入射时流过检测器偏置电路的电
流，它是体暗电流iDB和表面暗电流iDS之和。iDB来自于检测器 的pn结内因为热运动而产生的电子空穴。对于APD，iDB为：
iD2B
2 DB
2qIDBM 2F
M
会被雪崩区放大
表面暗电流由表面结构(缺陷、清洁程度、面积大小)和偏置电 压决定：
耗尽区
高阻材料
设计动机：在光生 电流尚未遇到后续 电路的热噪声时已 经在高电场的雪崩 区中得到放大，因 此有助于显著提高 接收机灵敏度
工作过程
拉通型雪崩二极管 (RAPD)
高阻材料 带有少量p掺杂的本征材料
p+ppn+结构
“拉通”来源于其工作情况，当施加一个较低的反向电压时， 大部分电压降在pn+结上。当电压增加时，耗尽区宽度增加， 直到pn+结上的电压低于雪崩击穿电压5%~10%时才停止， 此时耗尽区正好拉通到整个本征p区。
第六章 光检测器
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是：
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 m 0.942 A/W
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例
c
hc Eg
6.6251034 J s 3108 m / s
1.43eV (1.61019 J / eV )
869nm
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
Pw Pin (1 esw )
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
当电载流子在材料中流动时，一些电子 - 空穴对会重新
复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp， 这个距离即扩散长度，分别由下式决定：
Ln Dn n 1/2
Lp Dp p 1/2
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，n和p为电子和空穴
重新复合所需的时间，称为载流子寿命。 在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：
目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴对 在外部电场作用下定向移动产生电流。
P(x) P0 (1 es ()x )
P(x)
其中s()为材料在波长处的吸收
系数，P0是入射光功率，P(x)是通 过距离x后所吸收的光功率。
s() 增加
x
不同材料吸收系数与波长的关系
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
光子能量增大方向
材料的截止波长c由
其带隙能量Eg决定：
c
hc Eg
1.24 Eg (eV)
若波长比截止波长更长， 则光子能量不足以激励出 一个光子。
此图还说明，同一个 材料对短波长的吸收很强
烈 (s大) 。而且短波长激
发的载流子寿命较短，因 为粒子的能级越高组成的，在300 k时 其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为：
类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：
APD
q
hv
M
pin M
例
一种硅APD在波长900 nm时的量子效率为65%，假定0.5 mW的光功率产生的倍增电流为10 mA，试求倍增因子M。初 级光电流为：
Ip
Pin
qPin
hv
q
hc
Pin
0.65(1.61019C)(9107 m)
Pin hv 例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光 电流为：
I p Pin (0.65 A/W) (10 μW) 6.5μA
响应度、量子效率 vs. 波长
0.65
1.0 0.9 0.45
例
InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级
体暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率=0.90，
表面暗电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收 机带宽为20 MHz，计算接收机的各种噪声。
首先计算初级光电流：