第五章光检测器和光接收机PPT优秀课件

※ 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。
5．1．2 PIN光电二极管
为了提高光电转换效率，最好使所有的入射 光落在作用区（耗尽区内），必须采取如下措施：
·减小入射表面的反射率； ·尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增 加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分吸收。
PIN光电二极管就是基于此种设计思想的一 种器件。
一.PIN光电二极管的结构
结，光在零电场区被吸收的可能性很小，从而提高光电转
换效率。
二．PIN光电二极管的基本特性
1.光电转换效率
量子效率 ：定义为一次光生电子-空穴对和入
射光子数的比值
式为中电子P0 电为荷入。射光功率，I P 为光生电流，hf 为光子能量，e
响应度 ：定义为输出光生电流 I P 和入射光功
率 P0 的比值。
性造成的。 量子噪声电流的均方值:
其中：IP为平均光电流；e为电子电荷；Δf 为噪声带宽。
说明：
1）量子噪声伴随着入射光信号的产生而产生， 随着信号的增大而增大；当入射光信号消失， 量子噪声也消失。
2）量子噪声是一种不可克服的本征噪声，它 决定光接收机灵敏度的极限。
暗电流噪声: 暗电流是器件在反偏压条件下，
第五章 wk.baidu.com检测器和光接收机
5．1光检测器 5．1．1光检测的原理 5．1．2 PIN光电二极管 5．1．3 雪崩光电二极管（APD）
5．2光接收机 5．2．1数字光接收机的基本组成 5．2．2数字光接收机的噪声 5．2．3误码率 5．2．4灵敏度 5．2．5 动态范围
5．1光检测器
▪ 光检测器是光接收机的关键器件。 ▪ 功能:将接受到的光信号转化成电信号，在电
没有入射光时产生的反向直流电流。它是由于 PN结内电子的热扩散形成的。 暗电流的均方值：
其中：Id为暗电流平均值；
说明：
1. 偏置电流增大，暗电 流增大；
2. 器件温度升高，暗电 流增大；
3.暗电流与光电二极管 材料和结构有关。
例:si-PIN，Id<1nA, GePIN，Id>100nA。
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。
3.噪声
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
由光电效应的条件可知，对任何一种材料 制作的光电二极管，都有上截止波长，定义为
▪ 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
▪ PN结的中间是一个接近本征，
掺杂很低的N区，称为I层， I层很厚。两侧是掺杂浓度很 高的P型和N型半导体，用P+ 和N+表示，P+层和N+层很薄。
▪ 则在P+层和I层之间形成了一
个耗尽层，通过调整材料的 掺杂浓度和加上适当的反向 偏压，就可以将耗尽层拓宽 到整个I层。
▪ 由于P+层和N+层都很薄，这样耗尽区几乎占据了整个PN
漏电流噪声: 是由于器件表面物理缺陷引起的。
漏电流的均方值：
其中：IL为漏电流平均值； 说明：漏电流和暗电流只能通过合理设计、良好
的结构和严格的工艺来降低。
(2)热噪声：任何电阻都具有热噪声。只要温度
但在表面层区域，少数载流子的寿命时间很短，扩 散速度又慢，电子-空穴对往往在被检测器电路收集以 前就已被复合掉，从而使检测器的光电转换效率降低。
光电二极管的波长响应范围:
Si材料PIN光电二极管，波长响应范围：0.5~1.0um Ge 和 InGaAs 材 料 PIN 光 电 二 极 管 , 波 长 响 应 范 围 ： 1.1~1.6um
种效应称为光电效应。
▪ 当连接的电路闭合时,N区过剩的电子通过外部电路流向
P区，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光 功率变化时，光生电流也随之线形变化，从而把光信号转 化成电流信号。
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
了，这个区域称为耗尽区。
▪ 当光束入射到PN结上，且
光子能量大于半导体材料的 禁带宽度时，价带上的电子 可以吸收光子而跃迁到导带， 结果产生一个电子-空穴对。
▪ 如果光生的电子-空穴对在耗尽区产生，那么在电场的
作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移。当与P 层和N层连接的电路开路时，便在两端产生产生电动势，这
量子效率 和响应度 取决于材料的特性和器 件的结构。
假设:器件表面反射率为零；P层和N层对量子效率的 贡献为零；仅仅耗尽区（I区）里吸收的光子才能有效的 转化成光电流。
则PIN光电二极管的量子效率可近似表示为：
式中 和 w分别为耗尽区（I区）的吸收系数和厚度。 可见，当 w>>1时， 1 所以为提高量子效率，I
路中形成随着入射光强弱变化而变化的电流。
PIN光电二极管
▪常用的光检测器：
雪崩二极管
5．1．1光检测的原理
一.PN结的光电效应
▪ 光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的 PN结二极管，它的工作原理可用光电效应来解释。
▪ 当PN结上加有反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区
里电场的方向相同，因此在空间电荷区里载流子基本耗尽
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计特