硅光电二极管的电流

Chapter 7 Light Detector
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 光检测原理 光电倍增管 半导体光电二极管 PIN型光电二极管 雪崩光电二极管 光接收机
Light Detector
7.1 Principles of Photodetection 光探测原理

External Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流——真空光电二极管 和光电倍增管 Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）——pn结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管
时钟恢复 时钟提取与数据再生 （CDR）
对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。
前 言


发射机发射的光信号经光纤传输后，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 电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪 声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应 与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些 要求。
光纤通信第七章
Light Detector 光检测器
驱动电路 调制器 光源
中继器 光纤
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
Fra Baidu bibliotek
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
光信号 光电 变换
前置 放大
主放 大器
均衡 滤波
判 决 器
输出
AGC电路 前端 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 线性通道

M

N
通过外电路的电流为：
MeP i hf

例7.4，假定一个光电倍增管有9个倍增电极 ，每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍 增管的电流放大倍数。
M 1.9610
N
6

例7.5，假设一个PMT有例7.4所得的增益， 先用来检测光功率为1uW，波长为0.8um的 光信号，阴极的效率为1%，负载为50欧。 计算其响应度、电流和输出电压。

输入功率波形
检测器输出的电流波形
7.2 Photomultiplier 光电倍增管
入射光子 阴极 发射电子 阳极
Vacuum photodiode真空光电二极管
Vacuum photodiode

单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数 (Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生 光致电子发射。
hf

光子能量hf大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否 则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一 种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C：
1.24 C (eV )
hc

光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测 器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。

1．Responsivity 响应度 光检测器的主要性能指标
光检测器的输出电流与入射光功率之比称为响应度 。

IP Pin

单位：安培每瓦/伏特每瓦
2. Spectral Response 光谱响应

检测器响应度和波长之间的函数关系。
3. Rise Time 上升时间tr
在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检测器的 输出电流从最大值的10%上升到90%所用时间。

i P 6.4nA
U iR 320 nV
Photomultiplier （PMT）
入射光子 阴极 倍增电极 阳极
二次发射 电子
Photomultiplier

每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所 产生的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之 间。 假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为：
i e 0.0064 A / W P hc
M 1.9510 0.0064 12.5kA / W
6
iM 12.5 10 10 12.5mA
3
6
U M 12.5 10 50 625mV
3
Photomultiplier

光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声 ，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。


缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电压的电压源。
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管



半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。 PN型光电二极管 PIN型光电二极管
雪崩型（APD）光电二极管

例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.24 0.65 m 1.9
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。

Quantum Efficiency 量子效率

量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它 定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之 比，即 发射电子数 发射电子数 入射光子数 P hf
i
i
eP eP
hf hc
CP
检测电流正 比于光功率
ePR 在光电二极管的应用中， 100 个光子会产生 30 L 到95个电 U PR L 子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为 30%~95%。 P hf hc
hf
e e

例7.2，假定检测器在0.8um波段的量子效率 为1%，试计算其响应度。 i e 0.0064 A / W 6.4mA / W P hc 例7.3，根据7.2结果，计算当检测器接收的 光功率为1uW时，一个50欧负载电阻两端的 电压。