光检测器介绍(PN、APD详细讲解).ppt

UCB EE233 Prof. Chang-Hasnain 光检测器介绍 光电检测器的要求 不同材料吸收系数与波长的关系 响应度、量子效率 vs. 波长 工作过程 拉通型雪崩二极管 (RAPD) 上升时间和下降时间 谢谢大家！ 光载流子扩散时间 耗尽区外产生的光生载流子 p区或n区产生的载流子 向耗尽区扩散 在耗尽区内漂移到电极 存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间 解决办法：尽量扩大耗尽层宽度 扩散速度 漂移速度 当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间tr和下降tf时间来表示。 在理想情况下tr = tf，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度远小于漂移速度，使得tr≠tf，造成脉冲不对称。 光电二极管脉冲响应 1. 为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w必须大于1/as (吸 收系数的倒数)，以便可以吸收大部分的光； 2. 同时如果w较大，会让二极管结电容C变小，于是RLC常数 变小，从而得到较快的响应； 3. 但是过大的w会导致渡越时间的增大 折衷取值范围：1/as w 2/as 光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响 主要内容 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： - 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； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 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。 光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴对在外部电场作用下定向移动产生电流。 6.1 光电二极管的物理原理 只有少数载流子在电场作用下漂移 多数载流子的 扩散行为被反 向电场抑制 由于常态下少数载流子含量很少，因此漂移行为非常微弱 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 (本征)层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层。 耗尽区 pin光电二极管的工作原理 + - 1. 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 (光生载流子)。 2. 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， 然后它们在边界 处被吸收，从而 在外电路中形成 光电流。 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，分别由下式决定： Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp为电子和空穴重新复合所需的时间，称为载流子寿命。 在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律： 其中as(l)为材料在波长l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。 电子和空穴的扩散长度 as(l) 增加 P(x) x 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，因为粒子的能级越高，越不稳定。 光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm) 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 有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300 k时其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为： 因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。 例 如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为： 如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为： 其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射光子数之比： pin的量子效率 有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于： 在实际的应用中，检