光检测器

对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发
出新的电子—空穴对，如此循环下去，形成 雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。
2) 雪崩光电二极管（APD） 结果造成：当反向的偏置电压增加到一定的值后，光生电子 将在高电场作用下产生雪崩倍增效应，获得较大的光电流。
输出光电流
击穿电压
反向偏压
2) 雪崩光电二极管（APD）
时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即
· ·
I p hf 光电转换产生的有效电 子 空穴对数目 I p e 入射光子数目 Pin hf Pin e R
hf e
其中，e为电子电荷，hf 为一个光子的能量，
e e R hf hc 1.24 34 h 式中 c 3 108 m/s为光速， 6.628 10 J · s为普朗克常数。
分布图。
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。
RAPD的结构图和能带示意图
3.2.4 光电检测器的特性参数
PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。 APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。
2．APD的结构 目前APD结构型式，有保护环型和拉通 （又称通达）型。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。 拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构 示意图和电场分布如图所示。图（a）所示 的是纵向剖面的结构示意图。图（b）所示 的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图 （c）所示的是它的电场强度随位置变化的
1．PIN光电二极管的特性
（1）响应度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。
① 响应度
响应度定义
R
Ip Pin
（A/W）
其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电
二极管上的平均光功率。
3.2.4 光电检测器的特性参数
② 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
3.2.4 光纤通信中常用的半导体光电检测器 Photodiodes P-N Diodes
P-I-N Diodes
The big problem here is that the depletion zone(损耗区） in a p-n junction is extremely thin. Most light passes through without being absorbed in the junction and instead is absorbed in the doped material at either side of the junction. The principle involved in a PIN diode is simply the principle of the LED in reverse. That is, light is absorbed at a p-n junction rather than emitted.
1)PIN光电二极管 双异质结结构： N区和P区：InP，对 >920nm的光透明；
I区: InGaAs； =1300~1600nm 强烈吸收
InGaAs PIN 光电二极管的结构
3.2.4 光纤通信中常用的半导体光电检测器
2) 雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche
也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率 （波长）有关。
3.2.4 光电检测器的特性参数
硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。
3.2.4 光电检测器的特性参数
（2）响应时间 响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光 信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时 间）来表示。显然响应时间越短越好。 （3）暗电流 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输 出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器 仍有电流输出，这种电流称为暗电流。
•A piece of (undoped) semiconductor material with electrical contacts attached. •Simplest conceivable optical detector •Quite Useful at Longer Wavelengths (10 To 30 Microns) •Has not been used seriously for communications applications
10. APD的偏压有何特点？作用？
3.2 Optical Detectors
3.2.1 Introduction
Driving circuit
Modulator Light source
repeater
Optical detector fibre amplifier
fibre
O/E
Decision
3.2 Optical Detectors
3.2.1 Introduction 3.2.2 半导体的光电效应 3.2.3 Photoconductors(光电导体） 3.2.4 光纤通信中常用的半导体光电检测器 3.2.5 光检测器的比较
3.2 Optical Detectors
本章授课方式：学生直接阅读教师指定的外文资 料，并展开讨论，教师就光探测器有关内容作总 结
•加大耗尽区的宽度， •加强漂移电流的影响 •减少扩散电流的比例 • 提高响应速度 • 提高了电光转换效率。
耗尽层
3.2.3 Photoconductors(光电导体）
Photoconductive Detector - Principle
Practical Photoconductive Detector - Schematic
3.2.2 半导体的光电效应
1. 光电效应产生：由于光的受激吸收将价带 的电子激发到导带产生光生载流子，受内建 电场的作用，光生载流子的电子向 N区漂移， 空穴向P区漂移，在PN结两边形成电动势。
P
N
Ec
扩散
漂移
Ec
P
内电场
漂移
N
耗尽层ຫໍສະໝຸດ Baidu
扩散 势 垒
Ev Ev
2.PN结二极管工作在反向偏压下：此时外加电场方向和内建电场方向相同使 得势垒加强，在PN结的界面附近形成了相当高的耗尽区；在耗尽区两边电场 基本为零，为扩散区。此时当光入射导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。如果这个光生的电子-空穴对在耗尽区产生，那么在电场作用下 电子以很快的速度向N区漂移，空穴向P区飘移，从而形成光生电流流过负载。 光生电流数量随入射光功率的大小线性变化，把光信号转化成电流信号。
1)PIN光电二极管
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depletion layer，如图所示。这
样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图所示。
•Increases the chances of an entering photon •Makes the junction wider
1)PIN光电二极管 带宽受限的主要因素:产 生的光电流中存在扩散 分量，它与耗尽区外的 光吸收有关。载流子作 扩散运动的时延将使检 测器输出电流脉冲后沿 的托尾加长，影响光电 二极管的响应速度。
扩散分量的存在 导致光电二极管 瞬态响应失真
考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应
解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使 大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的 光能--PIN
P(d ) P(0)ead
式中，α是材料对光的吸收系数，其单位为长度单位的倒数。称1/α为
光的穿透深度。半导体材料的吸收系数α与波长有关。半导体材料的吸
收作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减小而变大。
Optical Detectors •PIN •APD
3.2.1 Introduction
When discussing photodetectors there are four important parameters:
1. Detector Responsivity This is the ratio of output current to input optical power. Hence this is the efficiency of the device. 2. Spectral Response Range This is the range of wavelengths over which the device will operate. 3. Response Time This is a measure of how quickly the detector can respond to variations in the input light intensity. 4. Noise Characteristics The level of noise produced in the device is critical to its operation at low levels of input light.
3.2.4 光纤通信中常用的半导体光电检测器
1) PIN光电二极管
• 光电流大小Ip与入射光功率Pin 成比例： 半导体 入射光
I p RP in
R—光电检测器的响应度（A/W）
响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定 时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越 时间。
r w vs
Photo Diode）。具有光/电转换作用同时具 有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部
的雪崩倍增效应完成的。
1.APD的雪崩倍增效应：是在二极管的P-N结 上加高反向电压，在结区形成一个强电场； 在高场区内光生载流子被强电场加速，获得 高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带 的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生 了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴
严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会
引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。
3.2.4 光电检测器的特性参数
（4）波长响应范围 不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当入射波长远 远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检 测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长 范围就是波长响应范围。由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按 指数率衰减，因此经过长度d的材料的光功率为
电子 扩散 漂移 复合 复合 空穴 漂移 P 光生电动势 (a) 光电效应 N 扩散 N 空穴 价带 光 P 光 耗尽层 电子
导带
反偏压
(b) 加反向偏压后的能带
3. 光电效应产生的条件
光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。 当入射光子能量hf 小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光 电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件
hf ≥Eg
的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转 hc 换为波长，则 λc= 。即只有波长λ＜ λc 的入射光，才能使 Eg 这种材料产生光生载流子，故 λc 为产生光电效应的入射光的
h
即光频fc＜
Eg
最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。
4. 光电效应结果----产生光生电流
光生电流包括：耗尽区的光生载流子形成的电流——速度快 P区的光生载流子形成的电流 速度慢 N区的光生载流子形成的电流 加偏置电压的好处： PN结的反偏作用：
问题:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 光通信常用两种探测器名称?材料是什么? 重要指标? 光和物质作用形式? 光电效应对吸收光的频率要求? LED和PIN有相同之处吗? PIN作为光电池的正负极? PIN外加偏压的方向? I层对光透明度对光吸收的作用? 光探测器的主要噪声来源？