光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
PIN和APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
简述pin和apd的工作原理
简述pin和apd的工作原理PIN和APD都是用于光电探测的器件，工作原理略有不同，下面将对PIN和APD的工作原理进行详细的阐述。
首先，我们先来介绍一下PIN（P型/Intrinsic/N型）结构器件的工作原理。
PIN结构是一种半导体器件，由P型半导体、Intrinsic层（无掺杂的半导体层）和N型半导体组成。
在PIN结构中，Intrinsic层的宽度较大，起到减少载流子复合的作用。
当光线射入PIN结构中时，光子能量会被传递给半导体晶格中的电子，使其激发为可导电的载流子。
当不存在外加电压的情况下，通过PIN结构的电流主要是由光生电流和擦除电流组成。
光生电流是指光射入PIN结构时，光子与半导体材料发生作用产生的电流。
而擦除电流是指由于载流子在PIN结构中的扩散而产生的电流。
当施加一个外加正向偏压时，即P端连接正极，N端连接负极，此时形成了一个光电二极管。
光电二极管在没有光照射的情况下，电流非常小，只有极小的擦除电流。
但当光照射到PIN结构中时，光子激发了Intrinsic层中的电子，使其跃迁为导带中的自由电子，同时生成空穴。
这些载流子因为外加电场的作用而被快速输送到电极上，从而产生电流。
因此，当光照射到PIN结构时，光电二极管的电流会增大。
这种通过光子激发载流子的效应就是光电效应。
光电二极管的输出电流与输入光强度之间存在着线性关系。
光电二极管的灵敏度与Intrinsic层的宽度有关，宽度越大，灵敏度越高。
在应用中，PIN结构器件主要用于光电转换和信号检测方面，如光通信、光采样等。
接下来，我们来介绍一下APD（Avalanche Photo Diode）的工作原理。
与PIN结构器件不同，APD采用了一种称为雪崩复制效应的方式来增强光电二极管的敏感度。
APD的基本结构与PIN结构类似，也是由P型半导体、Intrinsic 层和N型半导体组成。
APD的工作原理是在光电二极管中引入一个反向偏压，即P端连接负极，N端连接正极。
PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管PPT教案
式中：e是电子电荷，其值约为1.6×1019G；ν为光频。η与ρ关系可以表示为：
式中：h是普朗克常数，c是光在真空中 的速度,λ是光电检测器的工作波长。代入 相应数值后，可以得到：
从上式可以看出：在工作波长一定时，η 与ρ具有定量的关系。
例6.2 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6x106 个，平 均产生了 5.4x106 个电子空隙对，则其量子效率可以 等于：
耗尽区
图6.2 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（Intrinsic，本征的）层。 由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗 尽层，如图6.3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换 效率。结构示意图如图6.3（b）所示。
n , p 为电子和空隙的重新复合所需要的时间（载流子寿命）
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律
P(x) P0 (1 e s ()x ) 其中 s () 为波长 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。
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
不同材料吸收系数与波长的关系
式中：Ip为APD倍增后的光生电流；Ip0是 未倍增时的原始光生电流。若无倍增时 和倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣 除当时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。
5. 光电检测器的噪声
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
PIN和APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
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:
P w P in (1e sw )
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:
LnDn n1/2
LpDp
1/2 p
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp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:
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。
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。
apd和pin
+3
+5
+3
最小消光比（dB）
+10
+10பைடு நூலகம்
+10
+10
标称中心频率（THz）
192.10～196.00
192.10～196.00
192.10～196.00
192.10～196.00
中心频率偏移（GHz）
±12.5
±12.5
±12.5
±12.5
最大–20dB谱宽（nm）
0.2
0.4
0.4
0.4
最小边模抑制比（dB）
客户侧光接口指标
项目
指标值
标称比特率
10Mbit/s～2.7Gbit/s
线路码型
NRZ
光源类型
SLM
SLM
SLM
传输目标距离（km）
15
40
80
发送机在S点的特性
工作波长范围（nm）
1260～1360
1260～1360
1500～1580
最大平均发送功率（dBm）
0
+3
+3
最小平均发送功率（dBm）
–5
–18
–18
–28
最小过载点（dBm）
0
–9
–9
最大反射系数（dB）
–27
–27
–27
单板波分侧光接口指标
项目
指标值
通道间隔（GHz）
100
线路码型
NRZ
发送机在Sn点的特性
光口目标传输距离（km）
640
170（2mW）
170（10mW）
360
最大平均发送功率（dBm）
PIN与APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative(P型半导体-杂质-N型半导体)APD:avalanche photodiode(雪崩二极管)饱与光功率又称饱与光功率即指最大负载。
指在一定得传输速率下,维持一定得误码率(10-10～10-12)时得光模块接收端最大可以探测到得输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱与现象,当出现此现象后,探测器需要一定得时间恢复,此时接收灵敏度下降,接收到得信号有可能出现误判而造成误码现象,而且还非常容易损坏接收端探测器,在使用操作中应尽量避免超出其饱与光功率。
因此对于发射光功率大得光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度得时候,输出得光电流将趋于饱与。
随着温度得升高,APD得击穿电压V BR也随着上升,如果APD得工作电压(即高压)不变,APD得光电检测性能会变弱,灵敏度降低。
APD得倍增因子代表倍增后得光电流与首次光电流之比。
如图:由图可知,倍增因子M与反向偏置电压有关(反偏电压越大,斜率越大,M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时,M趋于无穷大。
),所以说她就是可调得。
同时可以瞧到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压(击穿电压)V B。
当反偏电压大于击穿电压时,M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生得倍增噪声会远远大于倍增效应带来得好处。
因此实际使用中,总就是把反偏电压调到略小于雪崩电压得地方。
APD倍增因子M得计算公式很多,一个常用得公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 就是由P-N 结材料决定得常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压得增加值。
对于Si 材料,n =1、 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2、 5～8 。
由式中还可瞧出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知,同样材料得APD管,同样偏置电压情况下,击穿电压越大,倍增因子越小。
PIN和APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
PIN和APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电也随着上升，如果APD的工作电压（即流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压VBR高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V。
当反偏电压大于B击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
PIN和APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
PIN和APD光电检测器的选择
光纤小测选题：PIN和APD光电检测器的选择班级：通信**班学号：****姓名：***日期：***PIN 和APD光电检测器的选择光发射机发射的光信号经过光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。
光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
对光探测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏效应与光纤径匹配。
用半导体材料制成的光探测器正好满足这些要求，在实际工程中最常用的就是PIN光敏二极管和雪崩光敏二极管（APD）。
一．基本概念衡量光电检测器的重要性能指标1. 响应度（R）和量子效率（η）响应度：光生电流I P 与入射光功率P in成正比，即R=I PP in(1-1)量子效率：产生的电子数与光子数之比，即η=I p/qP in/hv(1-2)R=ηqhv =ηλ1.24(1-3）式中普朗克常数h=6.63∗10−34J.s，电子电荷q=1.6∗10−19C(1-1)式表示光探测的响应度随波长增加而增加，这是因为光子能量hv减小时可以产生与减少的能量相等的电流。
R和λ的这种线性关系不能一直保持下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。
当光子能量变得比禁带能量E g小时，无论入射光多强，光电效应也不会发生，此时量子效率下降为零。
也就是说，光电效应必须满足条件:E g＜hv＜e0V(1-4)2.响应带宽（1）APD的3dB电带宽Δf=（2πτe M0）−1(1-5)式中M0为APD的的低频倍增系数，τe为等效渡越时间，与空穴和电子的碰撞电离系数比值αℎαe 有关，在αe>αh时，τe=αhαeτth式（1-5）表明带宽Δf 与倍增系数M 0的矛盾关系，也表明采用αℎ/αe ≪1 的材料制作APD ，可获得较高的本征响应带宽。
（2）PIN 的响应带宽∆f =12πR L C d (1-6)式中C d 为二极管的节点电容，R L 为二极管的负载电阻；式（1-5）表明为了提高PIN 的响应带宽，应尽量减小结电容C d 。
PIN和APD介绍精编版
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
PIN和APD介绍电子教案
P I N和A P D介绍PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD 的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
PIN和APD介绍精编版
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
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。
PIN和APD介绍
P I N:p o s i t i v e-i n t r i n s i c-n e g a t i v e（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V也随着上升，如果APDBR的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪B声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
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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：
c
1.24 Eg
1.24 0.73
1.7 μm
当波长<1100 nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收，
所产生的电子空隙对的复合寿命很短，很多载流子并没有产
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。
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：
iD2 S
2 DS
2qIL B
不会被雪崩区放大
雪崩倍增噪声
APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的 放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪 声。这里定义F为过剩噪声因子，它近似等于：
F Mx
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
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。
耗尽区
pin光电二极管的工作原理
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
2 Q
2 DB
2 DS
2q(IP ID )M 2F M B 2qIL B
放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL，因此检测器的 负载热噪声由RL的热噪声决定：
iT2
2 T
4k BT RL
B
其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。
例
InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级
0.65
1.0 0.9 0.45
ห้องสมุดไป่ตู้
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
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
Ip
Pin (1
Rf
)(1 esw )
q hv
其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射 光子数之比：
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：
5.4 106 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：
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。
6.3 检测器响应时间
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：
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
2qIP BM 2 F(M )
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
光电二极管的响应时间是指它的光电转换速度。影响响 应时间的主要因素：
1 耗尽区的光载流子的渡越时间； 2 耗尽区外产生的光载流子的扩散时间； 3 光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。
影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数s、等
效电容、等效电阻等。
光载流子渡越时间
耗尽区内产生的光生载流子
0.901.61019C 1.3106 m
6.6251034 J s (3108 m / s)
3107W
0.282mA
量子噪声均方根电流：
iQ2 2qI pB 2(1.61019C)(0.282106 A)(20106 Hz) 1.801018 A2
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)
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