PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管.pptx

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

前罩放大器主故大器

均衡器

AGC电路

线性通道

数字光接收机

光信号

光检测器

偏压控制

前端

时钟提取

时钟提取数据再生

再生码流

判决器

6.1光电检测器

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。

当PN结两端加上反向偏置电压

时，耗尽区加宽，势垒加强。

内建电场

0

PN结

Y

耗尽层

N

A

TV

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)。

(c)

图6.4PN光电二极管的工作原理

(a)

6.1.1PIN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(PNPhotodiode,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。

O-

图6.2PIN光电二极管的结构

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。

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，

(a)能带图

图6.3

PIN光电二极管

(b)结构示意图

⊙-

p*

N*

外加反向偏置电压的pin光电二极管的

电路示意图

Photon

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。

Photonhv≥Eg

Valenceband

p

n

(b)

图6.4半导体材料的光电效应

+光空穴耗尽层一

州川

⊙.

(a)

N

P

P

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L。,这个距离即扩散长度。

L₁=(Rx)²,L=QPx)²

其中Dn,D,为电子和空穴的扩散系数，单位为cm²/s.

T,T,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a(λ)为波长A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。

材料的截止波长λc由其带隙能量E。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(a₅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。

不同材料吸收系数与波长的关系

光子能量增大方向

光穿透深度(um)

光吸收系数(cm-)

Wavelength(um)

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：

如二极管的入射表面反射系数为R,其初级光电流为：

如果耗尽区宽度为w,在距离w内吸收光功率为：

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。

设计动机：在光