第六章光检测器共50页

1. 响应度
在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射
的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。响应度可以表示
如下：
Ip
P
式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功 率值(单位：W)。
2. 量子效率
响应度是器件在外部电路中呈现的宏观 灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈 现的微观灵敏特性。量子效率定义为通 过结区的载流子数与入射的光子数之比， 常用符号η表示：
通入过射结到区器的件光上生的载 数 光流 子PI子 p/数 h/e
式中：e是电子电荷，其值约为1.6×1019G；ν为光频。η与ρ关系可以表示为：
PN结
内建电场
VCC
耗尽层
当PN结两端加上反向偏置电压 时，耗尽区加宽，势垒加强。
光电二极管的工作原理
当光照射到光电二极管的光敏 面上时，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（称为光生载流子）。 电子-空穴对在反向偏置的外 电场作用下立即分开并在结区 中向两端流动，从而在外电路 中形成电流（光电流）。
图6.5 RAPD的结构图和能带示意图
保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防 止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。
APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在 短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波 长区）等。
6.2 光电检测器的特性指标
6.2.1 光电检测器的工作特性
c(mm)E hgcE1g.(2e4V)
例6.1 有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300k时 其带隙能量为1.43eV，其截止波长为：
c E h g c6 .1 6 .4e 2 1 3 ( V 1 3 5 .6 0 J 4 .s 1 3 1 0 1 J 9 /8 e m 0 /)s V 8n 6m 9
n , p 为电子和空隙的重新复合所需要的时间（载流子寿命）
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律
P (x)P 0(1es()x) 其中 s() 为波长 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。
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
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。 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，载 流子在光检测器电路收集 之前就已经复合了。
光子能量增大方向
特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内，其上 限截止波长为：
6.1 光电检测器
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：
① 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பைடு நூலகம்流；
② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； ③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； ⑤ 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。
6.1.1 PIN光电二极管
由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远 离PN结的地方没有电场存在，因此就决 定了PN光电二极管(PN Photodiode， PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率 非常低下及响应速度很慢。
1. PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管(PINPD)的结构如图6.2所 示。
Eg h hc Eg
图6.4 半导体材料的光电效应
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。
LnDn n 1/2 ， LpDp p1/2
其中Dn，Dp为电子和空穴的扩散系数，单位为cm2/s.
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
P w p 0(1e sw )
如二极管的入射表面反射系数为Rf，其初级光电流为： Iph qP v0(1esw)1(Rf)
6.1.2 雪崩光电二极管（APD）
1. 雪崩倍增原理
APD可以对初级光电流进行内部放大， 以增加接收机的灵敏度。由于要实现电流 放大作用，光生载流子需要穿过很高的电 场，以获得很高的能量。光生载流子在其 耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应激发出 新的电子-空穴对，新产生的载流子通过电 场加速，导致更多的碰撞电离产生，从而 获得光生电流的雪崩倍增。
雪崩二极管 (APD)
耗尽区 高阻材料
设计动机：在光生 电流尚未遇到后续 电路的热噪声时已 经在高电场的雪崩 区中得到放大，因 此有助于显著提高 接收机灵敏度
工作过程
1. 雪崩光电二极管的结构
常用的APD结构包括拉通型APD和保护环型APD。
图6.4 APD的结构
拉通型雪崩光电二极管（RAPD）采用 ppn 结构，其结构 示意图和电场分布如图6.5所示。图6.5（a）所示的是纵向 剖面的结构示意图。图6.5（b）所示的是将纵向剖面顺时针 转90°的示意图。图6.5（c）所示的是它的电场强度随位置 变化的分布图。
耗尽区
图6.2 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（Intrinsic，本征的）层。由 于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽 层，如图6.3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效 率。结构示意图如图6.3（b）所示。
图6.3 PIN光电二极管
外加反向偏置电压的pin 光电二极管的 电路示意图
pin 光电二极管的能带简图，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（称为光生载流子）。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 ，然后在边界处被吸收，从而在外电路中形成电流。