发光二极管半导体激光器和光电二极管.PPT

四. 光探测器 基本概念 在光电器件中,自发发射、受激辐射和受激吸收过程总是同时出现的。但对于各个特定的器件,只有一种机理起主要作用。这三种作用机理对应的器件分别是：发光二极管、半导体激光器和光电二极管。 本讲提要 光电二极管、光电池、光电三极管、光电倍增管、CCD阵列、谐振腔增强型光探测器等(RCE-Resonant Cavity Enhanced) 光探测器的特性。 基本概念 光探测器实现光电信息转换基于光电效应。所谓光电效应，是物质在光作用下释放出电子的物理现象。 对半导体器件，PN结受光照吸收光能后产生载流子，出现PN结的光电效应。利用这些物理现象制成了许多光探测器。在光纤传感系统中使用的有半导体光电二极管、光电池、光电三级管、光电倍增管和电荷耦合阵列。 （一）半导体光电二极管 基本工作原理 当光照到半导体PN结上时，被吸收的光能转变成电能。这一转变过程是一个吸收过程，与前述发光二极管的自然辐射过程和激光二极管辐射过程相反。通常，吸收过程和受激辐射过程是同时存在并互相竞争的。在光电二极管中，吸收过程占绝对优势；而在发光器件中，则辐射过程占绝对优势。 吸收过程占优势的器件有两种工作情况： 当二极管上加有反向电压时，管中的反向电流将随光照强度和光波长的改变而改变。据此，可以把该器件用作光电导器件，一般说的光电二极管属于这种半导体器件； 二极管上不加电压，利用PN结在受光照时产生正向电压的原理，把光电二极管用作光致发电器件，这种器件称为光电池。 光纤传感器中这两类器件都得到应用。 PN结型光电二极管（PD） PIN结型光电二极管（PIN） 雪崩型光电二极管（APD） 基本概念： 当PN结受能量大于禁带宽度Eg的光照射时，其价带中的电子在吸收光能后将跃迁到导带成为自由电子；同时，在价带中留下自由空穴。这些由光照产生的自由电子和自由空穴统称为光生载流子。在反向电压的作用下，光生载流子参与导电，从而形成电流。此电流是反向电流，但比无光照的暗电流要大的多。通常，把光照下流过光电二极管的反向电流称为光电二极管的光电流。 PN结在热平衡状态下无光照时在结区（耗尽区）存在着接触电势差。与发光时相反，如果在PN结上加适当的反向电压，则PN结的结区将被拉宽，并同时在电路中产生一个反向漏电流。一般PN结的反向漏电流很小，称为光电二极管的暗电流。 二、PIN结型光电二极管 PN结型光电二极管的响应时间只能达到10-7s。对于光纤系统的光探测器，往往要求响应时间小于10-8s，这样，PN型不能满足要求，而PIN结型光电二极管就是为了满足这一要求而研制的。 特点： 在PN结中将N层减少掺杂，以至于看作为本征I，最后为了制成低电阻的接触，才在末端加一层薄的重掺杂N层，这样形成了PIN结。若在PIN结上加上一定的反向电压，耗尽区便可在整个一层展开，即扩展了耗尽区。光生载流子扩散走过的区域则被压缩，克服了光生载流子的扩散时间长的缺点，使PIN结型光电二极管的响应时间缩短。 三、雪崩型光电二极管--APD 由于普通光电二极管产生的电流微弱，进行放大和处理时将引入放大器噪声。为了克服这种缺点，有必要加大光电管的输出电流，由此产生了雪崩型光电二极管。 工作原理 光电二极管中的光生载流子在强电场（大于105v/cm）作用下高速通过耗尽区向两极移动。在移动过程中，由于碰撞游离而产生更多的新载流子，形成雪崩现象，从而使流过二极管的光电流成百倍的增加。 缺 点 倍增为随机性的，放大电流的随机性或不可预测性限制了管子的灵敏度，所以，在设计雪崩管时应注意尽量减小随机性。 硅雪崩型光电二极管管心的结构图 硅雪崩型光电二极管管心的结构图 比 较 PIN 不能使原信号光电流发生倍增；响应速度快。 具有好的光电转换线性度；不需要高的工作电压。 APD 使原信号光电流发生倍增；提高接收机灵敏度。 需要较高的偏置电压；需要温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多采用PIN光电二极管。 半导体光电管的性能 光电二极管的主要参数和性能包括：伏安特性、暗电流、光电流、光谱响应特性、光电灵敏度、噪声特性等。 （1）伏安特性 无光照时，它同一般二极管一样。 受光照时，光电二极管的伏安特性曲线将沿电流轴向下平移，平移的幅度与光照强度的变化成正比。此特性表明，反向电流随入射光照度增强而增大。 光电二极管作为光探测器时，应工作在第三象限。 在入射光照度一定的条件下，光电二极管相当于一个恒电源。 （2）暗电流 光电二极管的暗电流为反向饱和电流、复合电流、表面漏电流和热