光检测器

第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
不同材料的禁带宽度不同，因此不同材料制作的光电二 极管有不同的波长响应。
例：有一个GaAs光电二极管，在300 k时其带隙能量为 1.43 eV，其截止波长为：
c
hc Eg
6.6251034 J s 3108 m / s
1.43eV (1.61019 J / eV )
当 hf Eg 时，受激吸收才会发生
Eg 禁带宽度 f 入射光子频率
h 普朗克常量
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3.2 光检测器
hf
Eg
hc
Eg
hc Eg
即某一PD来说，只有当入射光的波长小于某一数值时， 才会有光电效应，因此把这一能发生光电效应的临界 波长称为截止波长 c
c
hc Eg
1.24 (m)
Eg
70£¥
0பைடு நூலகம்6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.2 10£¥
0
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
m
图3-31 PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系
Si和Ge作为光敏材料响应度都不高 Si 适用于0.8~0.9µm Ge和InGaAs适用于1.3~1.5µm
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3.2 光检测器
能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换 足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流 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
常用的半导体光电检测器：PIN光电二极管 (PIN-PD) 雪崩光电二极管 (APD)
由于PN结耗尽层只有几微米， 大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应 速度慢。
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3.2.2 PIN光电二极管
1、结构
高掺杂P+型
高掺杂N+型
I (本征)层：低掺杂N型
3.2 光检测器
耗尽区
加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层 第三章 通信用光器件
2、工作原理
3.2 光检测器
① 量子效率η
一次光生电子 空穴对 入射光子数
η表述入射光子能够转换称光电流的概率
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I
：一次光生电流的大小
p
P0：入射光功率
3.2 光检测器
此时量子效率
I p e I p hf
P0 hf P0 e
Ip
e hf
(1 r)P0 exp(（）1)[1 exp(（）)]
r : 入射表面的反射率 （）：吸收系数 1：中性区的厚度（P和N ） ：耗尽层的厚度
hv
n
p
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3.2 光检测器
产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，电子 N区 ，空穴 P区，即形成与漂移电流方向相同的扩散电流，漂 移电流分量和扩散电流分量合称为光生电流
E
n
p
光生电流 I
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3.2 光检测器
这种由PN结构成，在入射光的作用下由于受激吸收过 程产生的电子—空穴对的运动，在闭合电路中形成光 生电流的器件，称为光电二极管（PD）
⑶ 响应时间和频率特性
3.2 光检测器
光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时 间τ或截止频率fc(带宽B)表示
① 当检测器接收的是数字脉冲信号调制的光信号时，响应 时间可使用输出脉冲的上升时间τr和下降τf时间来表示。
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3.2 光检测器
在理想情况下（耗尽层完全耗尽）tr = tf，但是由于耗尽层 在未耗尽的低偏压情况下，载流子扩散速度远小于漂移速 度，使得tr≠tf ，造成脉冲不对称。 耗尽层完全耗尽时，光电二极管具有单一的时间常数τ0，其 前沿和后沿的变化规律都是指数函数，分别是：
当入射光照射这样的一个PIN结构的半导体时，由于P+和 N+很薄，入射光很快的进入到I层，因而光生电流中漂 移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。
I层很厚，并且吸收系数很小，因此可以大大的提高光 电转换效率。
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3、PIN光电二极管的特性
3.2 光检测器
⑴ 截止波长 c 显然不是任意波长的入射光照射这种结构的PN结都可以发 生受激吸收，从而产生光生电流。
3本.2 章光目检录测器
3.1 光源
半导体激光器(LD) 发光二极管(LED)
3.2 光检测器
光电二极管
3.3 光无源器件
连接器 耦合器 调制器等
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3.2 光检测器
3.2 光检测器
光检测器由半导体材料制成。是光接收机的重要组成部分。
主要功能是把光信号
电信号
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对光检测器的要求：
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3.2 光检测器
耗尽区越宽，PIN-PD的响应速度会变慢。因此二者构 成一对折衷。
例：有一个InGaAs光电二极管，在100ns内共入射了波长为 1300 nm的光子6× 106 个，产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则 其量子效率可以等于：
5.4106 90%
6 106
实际检测器的量子效率一般在30%-95%之间。
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3.2 光检测器 ② 响应度ρ
光电二极管的性能常使用响应度ρ来表征：
I p e (A/W)
P0 hv
在1550 nm处典型响应度为0.7 A/W
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③ 光谱特性
3.2 光检测器
1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
869nm
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
硅材料制作的PD c 1.06m 锗材料制作的PD c 1.6m
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⑵ 量子效率和光谱特性
3.2 光检测器
光电转换效率一般用量子效率η或响应度ρ来表示
量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。 响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，
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3.2 光检测器
(1 r) exp(（）1)[1 exp(（）)]
量子效率只与PIN-PD的结构以及波长有关，而与P0无关 通过改变PIN-PD的结构参数就可以改善量子效率 • 减小P+上涂的抗反射膜的反射系数r，使得入射的光子
数增加从而使得产生的电子—空穴对数目增加，提高 量子效率 • 减小中性区的厚度ω1同时增加耗尽层的厚度ω
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3.2.1 光电二极管的工作原理
3.2 光检测器
光电二极管实际上是一个加了反向偏压的PN结
N型 耗尽层 P型
浓度梯度的存在——扩散运动 内部电场——漂移运动 外加电场——加速漂移运动
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3.2 光检测器
当有合适波长的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（中性区）引起受激吸收 现象，从而产生电子空穴对。