第六光检测器.pptVIP

第六章 光检测器 6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 数字光接收机 前端 线性通道 时钟提取 数据再生 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电流； 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 光电检测器 PN结 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）。 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。 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。 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。 其中Dn，Dp为电子和空穴的扩散系数，单位为cm2/s. 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 ， 其中 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。 不同材料吸收系数与波长的关系 材料的截止波长lc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 (as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 特定的材料只能用于 某个截止波长范围内 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： 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： 如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为： 如二极管的入射表面反射系数为Rf，其初级光电流为： 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) 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 耗尽区 高阻材料 工作过程 图6.4 APD的结构 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。 拉通型雪崩光电二极管（RAPD）采用 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。 图6.5 RAPD