光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)ppt课件
《光检测器》PPT课件
25
精选ppt
思考题
1
量子效率的定义及提高量子效率的措施是什 么？
PIN光电二极管η=90%，λ=1.3μm，计算该 2 器件在1.3μm的响应度以及当入射光功率为-
37dBm时的光电流。
26
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精选ppt
❖ 响应度R； ❖响应时间； ❖结电容； ❖暗电流。
PIN光电二极管的特性
15
精选ppt
响应度R（量子效率）
Ip=RPin
入射光功率Pin中含有大量光子， 能转换为光电流的光子数和入射总光 子数之比称为量子效率η 。
R=Ip/Pin =ηλ/1.24 (A/W)
16
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响应时间
55不同材料的吸收系数不同材料的吸收系数66光检测器种类光检测器种类pinpin光电二极管光电二极管apdapd雪崩光电二极管雪崩光电二极管77pin光电二极管pin光电二极管88雪崩光电二极管apd雪崩光电二极管apd99光检测器的比较1光检测器的比较1参数符号单位sigeingaas波长范围nm4001100800165011001700响应度04060405075095暗电流na110505000520上升时间ns0510010500505带宽ghz030705301020偏置电压sisigegeingaasingaaspinpin光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数1010光检测器的比较2光检测器的比较2参数符号单位sigeingaas波长范围nm4001100800165011001700雪崩增益20400502001040暗电流na011505001050m10上升时间ns01205080105增益带宽ghz10040021020250偏置电压15040020402030sisigegeingaasingaas雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数1111光检测器的比较3光检测器的比较3在短距离的应用中工作在850nm的si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案
《光纤通信》课件第3章 光源与光检测器
3.3.1 多纵模LD
如果激光器同时有多个模式振荡, 就称为多模激光 器MLM（Multiple Longitudinal Mode）。
3.2.2 注入电流(I)与光功率(P)响应特性
从光与物质相互作用的角度看， 半导体激光器的特 性是腔内光场与电子空穴对相互作用的结果。它与注入 载流子密度和产生的光子密度变化有关。这可用速率方 程（形象地表述了物质（电子数）与光场（光子数）之 间的相互作用）来描述。为了简化，设激光器的电流注 入是均匀的，光子被完全限制在激活区内， 光子和电子 在腔内均匀分布。二能级系统的速率方程可写为
在粒子数反转分布情况下， 导带中的电子数是很 多的， 如图3.3(b)所示。 这时如有光照射， 将有更多 的电子通过受激辐射从导带跃迁到价带（当然是与通 过受激吸收从价带跃迁到导带的电子数相比）， 实际 上这就是半导体光放大器产生光增益或粒子数反转的 条件。
图3.3 P (a) 热平衡; (b) 粒子数反转
3.1 半导体LD的工作原理
3.1.1 光放大 1. 受激辐射的概念 大家已经知道， 任何一个物理系统如原子内部的电
子是处于不同的能量轨道上的， 电子在每一个这样的轨 道上运动时具有确定的能量， 称为原子的一个能级。 能级图就是用一系列的水平横线来表示原子内部的能量 关系的。 当原子中的电子与外界有能量交换时， 电子 就在不同的能级之间跃迁， 并伴随有能量如光能、 热 能等的吸收与释放。
Ｎ型半导体中的电子将向Ｐ型半导体扩散， 将形成如图 3.4(b)所示的在Ｐ型半导体中有净负电荷, 在Ｎ型半导体中 有净正电荷的状态。 它们组成了ＰＮ结的空间电荷区， 也称为耗尽层。 没有外加偏置电压时， 少数载流子即Ｐ 型半导体中的电子和Ｎ型半导体中的空穴将保持原有的热 平衡。 当有正向偏置电压施加在ＰＮ结上时(如图3.4(c)所 示), 耗尽层的厚度将减小， Ｎ型半导体中的电子将向Ｐ型 半导体漂移， 漂移运动的结果使Ｐ型半导体的导带中有了 电子； 同样， Ｐ型半导体中的空穴将向Ｎ型半导体漂移， 漂移运动的结果使Ｎ型半导体的价带中有了空穴。 当正向 偏置电压足够大时， 增加的少数载流子引起了粒子数反转， 因此， ＰＮ结可用作光放大器。
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
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：
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)ppt课件
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：
2 2 i 2 qI B DS DS L
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：
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。
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：
w s P w P ( 1 e ) in
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
q w s I P ( 1 R )( 1 e ) p in f hv
量子噪声均方根电流：
2 19 6 6 18 2 i 2 qI B 2 ( 1 . 6 10 C )( 0 . 282 10 A )( 20 10 Hz ) 1 . 80 10 A Q p
例 (续)
光检测器暗电流：
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。
第五章光检测器和光接收机课件
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
.
(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
.
※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
.
光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
.
2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
.
注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
.
二. 光电二极管的波长响应
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。
光纤通信技术与设备PPT_3.4PIN光检测器
概述
1）外光电效应（光电倍增管）：入射光能量大，能将光敏材料的的 内部电子全部激发出来。典型器件： APD雪崩光电二极管
2）内光电效应（PIN：入射光子不直接激发光子，仅仅使内部电子从较低 能级跃迁到较高能级。典型器件： PIN光电二极管
2
光电二极管
光电二极管
光电二极管结构由光照、PN结、耗尽区、自建场、外加反偏压、电信号输出等组成。
谢谢
PIN光电检测器
PN结上有内建电场。当PN结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区被吸收，在耗 尽区产生光生载流子(电子空穴对)。在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移，空穴 向P区漂移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电子空穴 作扩散运动，产生扩散电流。因I层宽。加了反偏压后，空间电荷区加宽，绝大多数 光生载流于部落在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电流。漂移电流远远大 干扩散电流，所以PIN光电二极管的灵敏度高。接通回路，负载上有电流，于是将 光信号转变为电信号。
耗尽区
光 自建场
P
N
电
信
号
输
光生空穴
极管结构
光电二极管
光电二极管工作原理：光电检测器是外加反向偏压的PN结，当入射光作用时，发 生受激吸收产生 光生电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗尽层内建电场作用下形 成漂移电流，同时在耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在 电场作用下形成扩散电流，这两部分电流之和为光生电流。
光纤通信技术与设备
第四讲 光检测器
目录
概述
1
光电二极管
2
PIN光电检测器
3
1
概述
概述
光电检测器的作用：把光信号转换为电信号，光电检测器是利用半导体材料 的光电效应实现光电转换。
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 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。
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c
hc 1 .24 E E eV ) g g(
光吸收系数 (cm-1)
光子能量增大方向
若波长比截止波长更长， 则光子能量不足以激励出 一个光子。 此图还说明，同一个 材料对短波长的吸收很强 烈 (s大) 。而且短波长激 发的载流子寿命较短，因 为粒子的能级越高，越不 稳定。
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：
Ip P in
q
(A/W ) hv
例
有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300 k时 其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为：
34 8 hc 6 . 625 10 J s 3 10 m / s 869 nm c 19 E 1 . 43 eV ( 1 . 6 10 J / eV ) g
光检测器介绍(PIN、APD详 细讲解)
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。
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。
( ) x s P ( x ) P ( 1 e ) 0
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
特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
材料的截止波长c由 其带隙能量Eg决定：
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的 量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
19 34 8 hv hc 6 . 625 10 J s 3 10 m/s
q q 0 . 90 1 . 6 10 C 7 . 25 10
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的在距离w内吸收光功率为：
w s P w P ( 1 e ) in
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
q w s I P ( 1 R )( 1 e ) p in f hv
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。 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
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：
6 5 .4 10 90 % 6 6 10
5
当波长为1300 nm时：
5 6 7 . 25 10 A/W /m 1 . 30 10 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：
+ -
电子和空穴的扩散长度
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：
L D n n n
1 /2
L D p p 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：
I/ q w s 1 R 1 e f P / hv in
给定波长，与Pin无关
0.65
0.45
q q P hv hc in
Ip
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：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光 电流为：
I P ( 0 . 65 A/W ) ( 10 μW ) 6 . 5 μA p in
响应度、量子效率 vs. 波长
0.9 1.0
p