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北京邮电大学顾畹仪 3.1 光电检测器 光接收机的构成 光电二极管（PD） 雪崩光电二极管 1. 数字光接收机的组成 激光器 驱动电路 Fiber 时钟提取 / 数据再生 前置放大器 主放大器. 均衡器 PD LD 数据输入 数据输出 2、光电二极管（PD） 1） PD的工作原理 原理: 光电效应 --受激吸收过程 入射光子的能量大于禁带宽度, 光子被吸收, 产生电子空穴对. 电子空穴对在电场的作用下定向运动,形成光电流. h? Eg 或 ? ? hc / Eg PIN能带图 耗尽区 定义： 为光电二极管的上截止波长。 Si材料的PD：1.06 ?m Ge 或InGaAs材料：1.6~1.7 ?m 当入射波长太短时，光电转换效率会下降。 Si材料的PD：0.5~1.0 ?m Ge 或InGaAs材料：1.1~1.6 ?m 2） PD的工作特性 a) 波长响应范围 吸收的光功率： P(x) = P(0) [1 – e-?(?)x] (b) 光电转换效率 量子效率: ?定义为单位时间内产生的光生电子－空穴对数与单位时间入射的总光子数之比。 响应度: ?定义为光生电流与入射光功率之比。 Ip = (e0/h?) p0 (1 – R) exp (-?w1) [1- exp (-?w)] = ( ?A / ?W ) ? = = (1 – R) exp (-?w1) [1- exp (-?w)] 光子吸收示意图 Ip =(e0/hv)p0(1-R)exp(-?w1)[1-exp(- ?w)] w1 w (表面层) (耗尽层) 提高量子效率需要采取以下措施： 减小入射表面的反射率 增加耗尽区宽度, 减小零电场区的厚度（采用PIN结构） 在PN结光电二极管基础上加以改进，在PN结中间加上接近本征半导体的I层(轻掺杂的N区)，形成PIN结构（见图3.1.3）。P和N层都很薄，因此光电二极管吸收光的区域基本上在耗尽区。 不同材料光电二极管的响应度曲线 (c) 响应速度 响应速度通常用响应时间表示。 响应时间为光电二极管对矩形光脉 冲的上升或下降时间。影响响应速度的主要因素有： (a) 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数 (b) 载流子在耗尽区里的渡越时间 (c) 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 反向偏压的作用: 对光电二极管上施加反向偏压是十分有利的。原因是耗尽区宽度增加，结电容减小，载流子的漂移速度也快，所以不仅提高了量子效率，而且加快了响应速度。 不同的脉冲响应情况 (d) 暗电流 无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。 暗电流的无规则随机涨落产生噪声。 3）光电二极管的结构 PIN的结构 异质结构 长波长PIN管异质结构示意图 原理描述： PIN结构 异质结构 InP是宽带隙材料，?c=0.96?m,对长波长的光不吸收; InGaAs是窄带隙材料，?c=1.7?m 3、 雪崩光电二极管 (APD，Avalanche Photodiode) 1) 工作原理 光电效应 雪崩倍增效应。 电离系数：?e , ?h 电离系数比： k= ?h / ?e 2） APD的工作特性 （a) APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压 平均雪崩增益定义为: G = Im / Ip 式中Ip为一次光电流，Im为倍增后输出电流的平均值。由于倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效具有统计的特征，故倍增效应应取统计平均值。 G与反向电压有关：V越大，G值越高。存在击穿电压. 考虑纯电子电流注入高场区的情况 雪崩击穿 工程上 用暗电流增加到一定值来定义击穿电压 (b) APD的过剩噪声 雪崩倍增过程引入更大的随机性。用过剩噪声系数和过剩噪声指数表示。 APD的过剩噪声系数F(G) APD的过剩噪声指数x APD的结构设计: 对k远小于1的APD, 应尽量使电子电流注入高场区; 对k远大于1的APD, 应尽量使空穴电流注入高场区; 避免使用k=1的材料制作APD。 理论分析得到电子电流和空穴电流注入高场区时 * *