光检测器介绍PINAPD详细讲解

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：
? ? ?? ? ? ?
? q ? q?
?? ? hv hc
?0.90?1.6 ? 10?19 C ?
6.625 ? 10 ?34 J ?s 3? 108 m/s
? 7.25 ? 105 ?
0.65
1.0 0.9 0.45
? ?? ? ? ? I p / q ? Pin / hv
1? Rf
1 ? e?? s ?? ?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
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
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 ?
e?? sw ) ?
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：
(cm-1) 数 系 收
m) (m
?c
?
hc Eg
?
1.24 Eg (eV)
度 深
若波长比截止波长更长，
透 则光子能量不足以激励出
吸
穿 一个光子。
光
光
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
光子能量增大方向
为粒子的能级越高，越不
稳定。
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：
P( x) ? P0 (1 ? e? ? s (? )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
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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：
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。
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。
?
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
生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。
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。
?
?
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：
? ? I p ? ? q (A/W)
Pin hv 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 ? ? Pin ? (0.65 A/W ) ? (10 μW ) ? 6.5 μA
响应度、量子效率 vs. 波长
? ?? ? ?c
?
hc Eg
?
6.625 ? 10?34 J ?s 3? 108 m / s
?1.43eV ?(1.6 ? 10?19 J / eV )
? 869 nm
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?? Pin (1 ? e?? sw )
当波长为1300 nm时：
? ?? ? ? ? 7.25? 105 ?A/W ?/m 1.30? 10?6 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
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 ?
? D 1/2 nn
? ? Lp ?
? D 1/ 2 pp
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：