光电转换器件

电脉冲
漂移
扩散
由光功率输出转换为电流输出,有一时间延迟, 由光功率输出转换为电流输出,有一时间延迟, 其值主要决定了载流子通过耗尽区的渡越时间 τtr=w/vs 漂移运动) (漂移运动) 光电流存在扩散分量, 光电流存在扩散分量,它与耗尽区外的吸收有 扩散运动比漂移运动慢得多, 关,扩散运动比漂移运动慢得多,载流子作扩散 运动的时延检测器后沿脉冲加长, 运动的时延检测器后沿脉冲加长,影响光电二极 减小扩散分量。 管的响应速度。 管的响应速度。 增加w，减小扩散分量。
(0.90)(1.6 ×10 c)λ ℜ= = = −34 8 hc hc (6.625×10 J ⋅ s)(3×10 m / s)
−19
ηq ηqλ
5
= 7.25×10 λ
µm
例如当波长 λ =1300nm 时，有： =7.25×105×1.30×10-6A/W=0.92A/W × ×
APD） ●（2）雪崩光电二极管（APD）
当一个入射光子能量大于或等于半导体的 带隙能量时， 带隙能量时，将激励价带上的一个电子吸收光 子的能量而跃迁到导带上， 子的能量而跃迁到导带上，此过程产生自由的 电子一空穴对， 电子一空穴对，由于它们是因光而产生的电载 流子，故称为光生载流子，如图2.2所示。 2.2所示 流子，故称为光生载流子，如图2.2所示。通常 光电二极管的设计使得大部分的入射光在耗尽 区吸收，故大部分载流子也在此区域产生。 区吸收，故大部分载流子也在此区域产生。耗 尽区的高电场使电子一空穴对立即分开并在反 向偏置的结区中向两端流动， 向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被 收集，从而在外电路中形成电流。 收集，从而在外电路中形成电流。每个载流子 对分别对应一个流动的电子， 对分别对应一个流动的电子，这种电流称为光 电流。 电流。
s
c
Eg
E g ( eV )
对si，λc=1.06μm；对Ge, λc=1.06μm。 如果波长更长， 如果波长更长，光子的能量就不足以激励一 个价带的电子跃迁到导带中。 个价带的电子跃迁到导带中。
请同学思考:有一个光电二极管是由GaAs :
材料构成的， 时其带隙能量为1 材料构成的，在300k时其带隙能量为1.43ev 问它是否能用于1310 的系统中？ ，问它是否能用于1310nm的系统中？
s
αS
w
设光电二极管入射表面的反射系数为R 设光电二极管入射表面的反射系数为 f，则 从（4）式得到初级光电流 P： ）式得到初级光电流I
q −α s w Ip = P0 (1 − e )(1 − R f ) （5） ） hv
P0是入射光功率 ，q是电子电荷， hv是光子 是入射光功率， 是电子电荷 是电子电荷， 是光子 能量。 能量。
产生的电子一空穴对数 I P / q η= = 入射的光子数 P0 / hv
(6)
在光电二极管的实际应中，100个光子会产生 ●在光电二极管的实际应中，100个光子会产生 30% 95% 35 ～ 95 个 电 子 一 空 穴 对 ， 为 30% ～ 95% 。 为了得到较高的量子效率， 为了得到较高的量子效率 ， 必须加大耗尽 区的厚度， 使其可以吸收大部分的光子， 区的厚度 ， 使其可以吸收大部分的光子 ， 但耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越 （ across） 反向偏置结的时间就越长。 由 across ） 反向偏置结的时间就越长 。 于载流子的漂移时间又决定了光电二极管 的响应速度， 的响应速度 ， 所以必须在响应速度和量子 效率之间取一折衷。 效率之间取一折衷。 η w t v
（1）最普通的光电二极管是pin光电 二极管，如图2.1示，它的p型材料区 2.1示 ，如图2.1 和n型材料区由轻微掺杂n型材料的本 区隔开。正常工作时， 征（i）区隔开。正常工作时，器件上 加上足够大的反向偏置电压，本征区 加上足够大的反向偏置电压， 的载流子不会完全耗尽， 的载流子不会完全耗尽，即本征区固 有的n和p载流子的浓度非常小和掺杂 载流子相比可忽略。 载流子相比可忽略。
由于InP 带隙为 35eV eV， 的光， 由于 InP带隙为 1.35eV ， λ>0.9µm的光 ， InP 带隙为1 的光 InP是透明的，而晶格匹配的 InGaAs的带 是透明的， 是透明的 的带 隙 约 为 0.75eV 其 相 应 的 截 止 波 长 65µm ， 因而在中间 因而在中间InGaAs层 ， 在 λc=1.65 层 1.3~1.6 µm内有很强的吸收。 内有很强的吸收。 内有很强的吸收 由于光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了 由于光子仅在耗尽区内吸收， 扩散分量，采用几微米厚的InGaAs，量子 扩散分量 ， 采用几微米厚的 ， 效率可接近100%， 这种 效率可接近 ， 这种InGaAs光电二极 光电二极 管广泛用于1.3和 的光接收机中。 管广泛用于 和1.5 µm的光接收机中。 的光接收机中
响 应 度
波长( 波长( µm )
图6.3 n种不同材料的pin光电二极管的响应度和量子效率与 波长的关系曲线
例 ： 如 图 6.3 示 ， 波 长 范 围 为 1300nm <λ 的量子效率大约为90 90% <1600nm ， InGaAs 的量子效率大约为 90% ， 因此在这个波长范围内响应度为
问题: 是否波长越短越好呢? 问题: 是否波长越短越好呢? 在短波长段，材料的吸收系数变得很大， 在短波长段，材料的吸收系数变得很大， 因此光子在接近光检测器的表面就被吸收， 因此光子在接近光检测器的表面就被吸收， 电子一空穴对的寿命极短， 电子一空穴对的寿命极短，结果载流子被光 电检测器电路收集以前就已经复合了。 电检测器电路收集以前就已经复合了。 如果耗尽区宽度为 w ， 据 （ 2 ） 式 ， 在 距离w内吸收功率为 内吸收功率为： 距离 内吸收功率为： P（w）=P0（1-e-α (λ)x) （4）
第八章 光电转换器件
第一节光电转换基本原理
光电二极管的物理工作原理
偏置电压
负载电阻
光电二极管
RL
输 出
p
i
w
n
Ip
I
图2.1 外加反向偏置电压的pin光 电二极管的电路示意图
漂移 扩散 光生电子
带隙E 带隙Eg
p i
扩散
扩散
导带
n
光生空穴 扩散
光子 h ν> E g
价带
耗尽区
w
漂移
光 功 率
检 光脉冲 测 电 流
m
p i(π) p+
耗尽区
雪崩区
雪崩电离所需 的最小电场
工作原理： ●RAPD工作原理：当加上一个较低的反向偏置电压 结上， 增加电压， 时 ， 大部分的电压降在 pn+ 结上 ， 增加电压 ， 耗尽 区宽度也将增加， 区宽度也将增加 ， 直到加到 pn+ 结上的峰值电场低 于雪崩击穿所需电场的5 10%才停止， 于雪崩击穿所需电场的 5% ～ 10% 才停止 ， 此时耗尽 区正好拉通到整个本征区， 区正好拉通到整个本征区，故RAPD工作于完全耗尽 的方式。 区进入，并在π处被吸收 处被吸收， 区就 的方式。光子从p+区进入，并在 处被吸收，π区就 是收集光生载流子的区域。 是收集光生载流子的区域。光子被吸收后产生的电 空穴对立即由π区的电场分开 子—空穴对立即由 区的电场分开，然后通过 区漂 空穴对立即由 区的电场分开，然后通过π区漂 移到pn+区，pn+结上的高电场使得电子产生雪崩倍 增。
当电载流子在材料中流动时， 当电载流子在材料中流动时 ， 一些电子 一空穴对会重新复合而消失， 一空穴对会重新复合而消失，此时电子和空穴 的平均移动的距离分别为 Ln 和 Lp ， 此距离称为 扩散长度。 扩散长度。 电子和空穴重新复合的时间称为载流子 电子和空穴重新复合的时间称为载流子 寿命， 寿命，分别记为τn和τP 。载流子寿命和扩散 长度的关系可表示为： 长度的关系可表示为：
APD的响应度定义如下： APD的响应度定义如下： 的响应度定义如下
ℜ
最佳设计的PIN光电二极管， 最佳设计的PIN光电二极管，其∆f=20GHz。 PIN光电二极管 。 w<1 µm，其∆f=70GHz, η 和 ， 值均较低。 值均较低。 ℜ
金属电极
InP衬底 InP衬底 InGaAs(i) N型InP InP衬底 N+-InP衬底
ℜ
4
µm
金属电极
光输入
PIN光电二极管 InGaAs PIN光电二极管
雪崩效应： 雪崩效应 ： 新产生的载流子同样由电场加速 ， 并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电 离产生， 此现象称雪崩效应。 离产生 ， 此现象称雪崩效应 。 当偏置电压高 于击穿电压时，产生的载流子迅速增加。 于击穿电压时，产生的载流子迅速增加。
拉通型APD RAPD） APD（ ● 拉通型 APD （ RAPD ） ： 把一种高阻的 p 型材料作为 型重掺杂材料上， 外延层而沉积在p型重掺杂材料上，然后在高阻区进 型扩散或电离掺杂， 行 p 型扩散或电离掺杂 ， 最后一层是一个 n+ （ n 型重 掺杂） 掺杂） 层 。π层主要是少量p掺杂的本征材料 ，此结 层主要是少量 掺杂的本征材料， 型结构，如下图示。 构称为p+πpn+型结构，如下图示。 电场 n+ w
APD可对尚未进入后面和放大器的输入电路的初级光
电流进行内部放大。在高场区， 电流进行内部放大 。 在高场区 ， 光生电子或空穴可 以获得很高的能量， 以获得很高的能量 ， 因此它们高速碰撞位于价带的 电子,使之产生电离 从而激发出新的电子---空穴对 使之产生电离， 电子 使之产生电离，从而激发出新的电子 空穴对 这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。 ，这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。
ℜ
● 光电二极管的性能经常使用响应度 来表征。 它和 光电二极管的性能经常使用 响应度来表征 。 响应度 来表征 量子效率的关系为： 量子效率的关系为：