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6.1 檢光器原理 檢光器 Photo-detector ：為檢測光強弱信號的元件，它可以將入射光信號轉換為電信號。以微觀角度來看，它可以將入射光子轉換為電子。 半導體材料之光電效應 暗電流 Dark current Id 暗電流 Dark current Id 由於熱激勵、宇宙射線或放射性物質之激勵作用，在無光狀況下，檢光器仍有電流輸出，這種電流就稱為暗電流。暗電流會引起光接收器之雜訊增大，所以使用上是希望檢光器之暗電流愈小愈好。 接面電容 Junction capacitance 接面電容 Junction capacitance Cj 檢光器之典型特性參數 雪崩倍增因子G 雪崩倍增因子G APD 檢光器之種類 光纖通訊常用之APD檢光器主要有兩種類型： 保護環型GAPD Guard ring APD 通達型RAPD Reach-through APD 保護環型GAPD檢光器 為防止擴散區邊緣之雪崩擊穿，製作時先沉積一層環型之n型材料，然後高溫推進形成一個深的圓形保護環﹐使保護環和p區之間形成濃度緩慢變化之梯度接面，因此，可防止高負向偏壓下，邊緣雪崩擊穿現像之發生。 GAPD具有很高之靈敏度，但是，其雪崩增益與負向偏壓間之非線性關係卻是很顯著。要想得到足夠大之增益，就必需使GAPD在接近擊穿電壓之情況下工作，但是，其擊穿電壓對溫度之變化又是十分敏感。因此，為使GAPD在環境溫度變化下亦能維持穩定之增益，就要設法控制GAPD之負向偏壓。RAPD就是為此目的而改進的。 保護環型RAPD檢光器 由圖可見RAPD是一個pn接面之結構，只不過其中之p型材料是由三部份所構成，光子從p+射入，進入?層 輕摻雜之p型半導體﹐近似本質半導體 後，在這裡材料吸收光能產生了初始電子-電洞對。這時光生電子在?層被空乏區較弱之電場加速，移向pn接面，當光生電子運動到高電場區時，受到其作用而加速運動，因而產生了雪崩碰撞效應，最後獲得雪崩倍增後之光生電子到達n+層。p+層之所以作成高摻雜之原因為減小接觸電阻以利與電極相聯。 擴散區（diffusion region）特性： 在空乏區之外的區域稱為擴散區，由於電場分佈趨於零，載子主要運動是較慢的擴散運動，因而響應速度低。 在擴散區內，光產生電子電洞對的結合時間非常慢，以致於電子電洞對尚未被檢測器電路收集前，便複合消失。因此，將兩端P型和N型材料，製做成較高摻雜濃度且寬度窄，以減少擴散效應。 PIN操作原理： 在逆向偏壓下，本質區完全沒有載子。但是有一個大的電場存在且垂直於此本質層。本質區的最初摻雜決定了逆向偏壓之操作電壓值，超過此操作電壓時，則發生完全空乏。例如：較低的摻雜產生一較低空乏電壓值。 典型的PIN光檢測哭只須幾個伏特即可使本質完全空乏：當完全空乏時，一入射在本質層的光子將被吸收，產生一電洞電子對。此時，在此區之電場快速地吸弔電子及電洞到二極體的N區及P區。若外部電路是形成一閉迴路的，則將產生電流之流動。此外，若光子被吸收在在光檢測器的N層及P層，也會產生自由載子，在他們被收集而成電流流動之前，這些載子必須被擴散回本質層。 圖6-9 PIN光二極體在本質區的光子將被吸收產生一電子-電 洞對，電子-電洞對被二極體的電場分開，並在負載 電路上產生電流。 圖6-10 PIN光二極體 結構示意圖 PIN光二極體操作模式： PIN電壓操作模式有下面兩種型式： 光伏特模態（photovoltaic mode）：零偏壓（zero reverse bias） 光導電模態（photoconductive mode）：反向偏壓（reverse bias） 反向操作電壓比較： PN光二極體反向操作電壓為20~40V PIN光二極體反向操作電壓為5 ~ 10V PN和PIN二極體比較： 圖6-11 PIN光二極體 結構在不同電壓操作模式下電場分佈圖 APD雪崩光二極體（Avalanche Photodiode） APD基本結構： APD光二極體是在結構中的P-N接面上，加上很高反向偏壓（50~150V），因此在APD內部的n+-p接面形成強電場區。當光照射到APD二極體的吸收區，會產生一次載子，而一次載子（primary carrier）受到此曾益區的強電場作用而加速。一次載子獲得動能，此速度極快的一次載子與中性原子碰撞，使得價電帶的束縳電子躍遷到導電帶，產生新的二次載子（secondary carrier）。經過多次碰撞後，載子數目迅速增加，如同雪崩一般，使得光電流在檢光器內獲得增益，這些過程一直持續到載子的電崩發生。一個單一的入射光子可以產生G 個電子，且雪崩光檢測器的響應率變慢，增加了乘積因素G 。 式中，n為常數，和製作APD之材料、摻雜