第6-7章 光检测器

1~10
50~500 0.5~2.0
0.5~1.0 0.1~0.5 0.05~0.5
0.3~0.7 0.5~3.0 1.0~2.0
5
5~10
5
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光检测器的比较
表2. Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数
参数 波长范围 雪崩增益 暗电流 上升时间 增益带宽积 偏置电压
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工作原理
在二极管的P－N结上加反向电压（一般 为几十伏或几百伏），在结区形成一个强电场 。在高场区内光生载流子被强电场加速，获得 高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的 电子得到能量越过禁带到导带，产生了新的电 子－空穴对，新产生的电子－空穴对在强电场 中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子－ 空穴对，…，如此循环下去，像雪崩一样的发 展，从而使光电流获得了倍增。
第6章 光检测器
在光纤接收端，首先需要将光信号转换成 电信号，并把光功率的变化转换成相应变 化的电流。其首要部件就是光检测器。
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光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：
对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵 敏度
较小的噪声 响应速度快 对温度变化不敏感 与光纤尺寸匹配 工作寿命长
光电二极管的另一个重要参数是它的暗电流。 暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流
。
理想情况下，当没有光照时，光电检测器无光电 流输出。暗电流将引起光接收机噪音增大。
所以I0 越小 越好
Si制作的PIN
I0<l nA
长波长波段 lnGaAs 光电二极管，I0较小 <几个 nA
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五、雪崩倍增因子G
偏置电压
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光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现了光电
流，从而在电阻R上有信号电压输出。这样就实现了输出电压跟随输入光信号
变化的光电转换作用。
负偏压：P接负，N接正。由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电
场方向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗尽区的加宽可以改善光电检测器响应
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2. 雪崩光电二极管（APD）
在长途光纤通信系统中仅有毫瓦级的光功率从光发射机 输出，经过几十KM光纤的传输衰减，到达光接收机处的 光信号将变得十分微弱。为了能使光纤接收机的判决电 路正常工作，就需要采用多级放大。放大器将引入噪声 。从而，使光接收机的信噪比降低，灵敏度降低。
如果能先在光电二极管内部进行放大，就能克服PIN管 的上述缺点。雪崩光电二极管具有放大功能，类似光电 倍增管。
速度和转换效率）
耗尽区
扩散电子
n型区
p型区
pn结 Emax
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当入射光子的能量小于Eg时，不论入射光多强，光电效
应也不会发生。 所以光电效应必须满足：
hν>Eg 或 λ<hc/ Eg
(∵λ=c/ν)
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输入输出特性
波长响应：
c(m)EhgcE1g.(2e4V)
（6.2）
当入射光波的波长λ<λc的光，才能使这种材料产生光 生载流子。λc称为截止波长。
产生的电子－空穴 ＝对 Ip /数 q
入射光子数 P0 /h
（6.5）
Ip：入射在光电二极管上的稳态平均光功率P0所产生的平均光电流。 q: 电子电荷 在光电二极管的实际应用，100个光子会产生30～95个电子
－空穴对，因此，检测器的量子效率范围为30％～95％。加大耗尽区 的厚度，使得可以吸收大部分的光子，提高量子效率。但是耗尽区越 厚，光生载流子越过反向偏置结的时间就越长，影响了光电二极管的 响应速度。
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二、响应度：
I p q P0 h
（6.6）
Ip q M 对雪崩二极管 P0 h
响应度是单位光功率产生的光电流的大小。
光子能量一定时，二极管的量子效率和入射光功率无关。 响应度是光功率的线性函数。光电流Ip正比于光功率P0。
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对于给定的波长（给 定的光子能量hv）， 响应度 是一个常 数。
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光检测器的比较
表1. Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数
参数 波长范围 响应度 暗电流 上升时间
带宽 偏置电压
符号
λ
I0 τr B VB
单位 nm A/W nA ns GHz V
Si
Ge
InGaAs
400~1100 800~1650 1100~1700
0.4~0.6 0.4~0.5 0.75~0.95
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拉通(reach-through)型的APD 结构
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倍增因子M
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
（6.7）
IM ：雪崩增益后输出电流的平均值 Ip ：未倍增时的初级光电流
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光电二极管性能参数
一、量子效率η和响应度
――每个能量为hv的入射光子所产生的电子－空穴对数
—雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程，每一个
初始的光生的电子—空穴对在什么位置发生碰
撞电离，总共激发出多少对二次电子—空穴对
M
，这些都是随机的。
p
G M p
IM：雪崩倍增时光电流的平均值
Ip：无雪崩倍增时光电流的平均值 往往用平均雪崩增益G来表示APD的倍增大小，一般APD的倍 增因子G在40～100之间。
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结论：
• 外界的光子(也就是光)射入半导体，分离 出电子和空穴，这些自由的载流子的流动 形成电流，外部的电压(反向偏压)会增强 这种效果。
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实际工作原理
光照射到半导体的P－N结 上，若光子的能量足够大 （即hν>Eg），则半导体 材料中价带的电子吸收光 子的能量，从价带越过禁 带到达导带，在导带中出 现光电子，在价带中出现 光空穴，即产生光电子－ 空穴对。称为光生载流子 。
光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、材料合 适
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6.1 光电二极管的物理原理
6.1.1. pin光电二极管
P+
I
N+Fra Baidu bibliotek
偏置电压
本征层
光电二极 管
P型材料区和n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征（i）区隔开。正 常工作时，器件加上足够大的反向偏置电压。
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1. 基于能带的观点
Ephc/Eg
而在整个波长范围 内的量子效率并不 是一个常数，光子 能量在改变。单位 为：A/W
Fig. 6-4: Photodiode Responsivities
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三、响应时间（响应速度）
――指光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变 化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降 时间）表示。
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四、暗电流I0