燕山大学光电作业答案

1、入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度α的正弦值就称为光纤的数值孔径（NA = sinα），多模光纤NA的范围一般在0.18－0.23之间，所以一般有sinα= α，即光纤数值孔径NA = α。有时，为了便于表达式简便，数值孔径也有如下表达式：NA = nsinα，n为介质折射率。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同。

在光学中，数值孔径是表示光学透镜性能的参数之一。用放大镜把太阳光汇聚起来，能点燃纸张就是一个典型例子。若平行光线照射在透镜上，并经过透镜聚焦于焦点处时，假设从焦点到透镜边缘的仰角为θ，则取其正弦值，称之为该透镜的数值孔径。

光纤的数值孔径大小与纤芯折射率，及纤芯－包层相对折射率差有关。从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。但是NA太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求。通常为了最有效地把光射入到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行集光。

数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT 建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.18～0.23，其对应的光纤端面接收角θc=10°～13°。

2、光电导探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。

凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。

工作原理：光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg 时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h 是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为

λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)

式中c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。

3、当光照射PN结时，只要入射光子能量大于材料的禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。这些非平衡光生载流子在内建电场的作用下，空穴沿电场方向运动，电子逆电场方向运动；在开路状态下，最后在n区边界积累光生电子，p区积累光生空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即p区和n区之间产生了光生电压V oc。

（1）零偏置的光伏工作模式

若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射时，则在p-n结内出现两种相反的电流：光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下形成的光生电流Ip，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电流I0相同；光生电流流过负载产生电压降，相当于在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电流ID。流过负载的总电流是两者之差：【公式】

（2）反向偏置的光电导工作模式

无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。类似光电导器件。

（3）正向偏置的工作模式

呈单向导电性，和普通二极管一样，光电效应无法体现。无光照时，伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同；受光照后，产生光电流，方向与I0相同，因此曲线将沿电流轴向下平移，平移的幅度与光照度的变化成正比。第一象限：正向偏置工作模式，光电流不起作用，这一区域工作没有意义。第三象限：反向偏置光电导工作模式，第四象限：零偏压光伏工作模式。

光伏探测器工作在零偏置工作模式。

4、1、响应率

光伏探测器的响应率与器件的工作温度及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。

2、噪声

光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流为：式中，为流过P-N结的总电流，它与器件的工作及光照有关，为器件电阻，因反偏工作时相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的.

下面着重讨论光伏探测器在有无光照情况下的暗电流噪声

a、光照时

通过器件的电流只有热激发暗电流。同理，可以写出负偏压工作的光伏探测器的暗电流噪声，显然它只有零偏压工作时的一半。

b、无光照时

3、比探测率

光伏探测器工作于零偏时，比探测率与成正比。当入射波长一定，器件量子效率相同时，越大，就越高。所以，零偏电阻往往也是光伏探测器的一个重要参数，它直接反应了器件性能的优劣。当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率的关键在于提高结电阻和界面积的乘积和降低探测器的工作温度，同时式也说明，当光伏探测器受背景噪声限制时，提高探测率主要在与采用减小探测器视场角等办法来减少探测器接收的背景光子数。

4、光谱特性

和其他选择性光子探测器一样，光伏探测器的响应率随人射光波长而变化。

通常用硅能很好的光伏探测器。但其最佳响应波长在0.8-1.0,对于1.3或1.55红外辐射不能响应。锗制成的光伏探测器虽能响应到1.7,但它的暗电流偏高，因而噪声较大，也不是理想的材料。对于接收大于1的辐射需要采用Ⅲ—Ⅴ和Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体。

扩散时间

假设光从P-N结的N侧垂直入射，且穿透深度不超过结区，则光电流主要是N区及结区光生空穴电流所成。N区光生空穴扩散至结区所需要的时间与扩散长度和扩散系数有关。以N型硅为例，当空穴扩散距离为几微米时，则需扩散时间约s。对于高速响应器件，这个量是不能满足要求的。因此，在制造工艺上将器件光敏面作得很薄，以便得到更小的扩散时间。

耗尽层中的漂移时间

由半导体物理学可知，耗尽层中截流子的漂移速度与耗尽层宽度及其间电场有关。在一般的光电二极管中，不是限制器件频率响应特性的主要因素。

5、频率响应及响应时间

光伏探测器的频率响应主要有三个因素决定(1)光生截流子扩散至结区的时间;(2)光生截流子在电场作用下通过结区的漂移时间;(3)由结电容与负载电阻所决定的电路常数。

6、温度特性

光伏探测器和其他半导体器件一样，其光电流及噪声与器件工作温度有密切关系。