通信用光器件學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1通信通信(tng xn)用光器件用光器件第一頁，共91頁。 當(dāng)連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴(kn xu)流向N區(qū)， 便形成了光生電流。 當(dāng)入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 - 空穴(kn xu)對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。 第1頁/共90頁第二頁，共91頁。 如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘海康氖窃黾雍谋M層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生(un shn)電流中的擴(kuò)散

2、分量。第2頁/共90頁第三頁，共91頁。第3頁/共90頁第四頁，共91頁。 由于載流子擴(kuò)散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時間(shjin)， 使響應(yīng)速度減慢。 為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。 第4頁/共90頁第五頁，共91頁。 光電二極管 PIN光電二極管的產(chǎn)生 由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。 為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為(chn wi)I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。 第5

3、頁/共90頁第六頁，共91頁。 PIN光電二極管的工作光電二極管的工作(gngzu)原理和結(jié)原理和結(jié)構(gòu)見圖構(gòu)見圖3.20和圖和圖3.21。第6頁/共90頁第七頁，共91頁。圖3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)抗 反 射 膜光電 極(n)PNE電 極第7頁/共90頁第八頁，共91頁。 中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。 I層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子(dinz) - 空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。第8頁/共90頁第九頁，共91頁。 兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收(xshu

4、)入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。 另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。 第9頁/共90頁第十頁，共91頁。PIN光電二極管具有如下主要特性(txng)： (一) 量子效率和光譜特性(txng)。 (1) 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示。量子效率的定義為一次光生電子 -空穴對和入射光子數(shù)的比值ehfPIhfPeIPP00/入射光子數(shù)空穴對光生電子對(3.13)第10頁/共90頁第十一頁，共91頁。 響應(yīng)響應(yīng)(xingyng)度的定義為一次光生電流度的定義為一次光生電流IP和入射光功率和入射光功率P0的比

5、值的比值 )/(0WAhfePIP(3.14)式中， hf 為光子能量， e為電子(dinz)電荷。 第11頁/共90頁第十二頁，共91頁。 （2） 量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜譜(x shu un p)()，對長波長的限制由式，對長波長的限制由式(3.6)確定，確定，即即c= hc /Eg。 圖圖3.22示出量子效率示出量子效率和響應(yīng)度和響應(yīng)度的光譜特性，由圖可見的光譜特性，由圖可見，Si 適用于適用于0.80.9m波段，波段，Ge 和和InGaAs 適用于適用于1.31.6 m波段。響應(yīng)度一般為波段。響應(yīng)度一般為0.50.6 (A/

6、W)。 第12頁/共90頁第十三頁，共91頁。圖3-22 PIN光電二極管響應(yīng)度、 量子效應(yīng)率 與波長 的關(guān)系1030507090GeInGaAs00.81.0m (W-1)Si第13頁/共90頁第十四頁，共91頁。 (二) 響應(yīng)時間和頻率特性。 光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時間或截止頻率fc(帶寬B)表示。 對于(duy)數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間r和脈沖下降時間f。第14頁/共90頁第十五頁，共91頁。 當(dāng)光電二極管具有單

7、一(dny)時間常數(shù)0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應(yīng)時間 =r=f=2.20 (3.16) 對于幅度一定，頻率為=2f 的正弦調(diào)制信號，用光生電流I()下降3dB的頻率定義(dngy)為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù)0時， 第15頁/共90頁第十六頁，共91頁。rcf35.0210（3.17） PIN光電二極管響應(yīng)時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間d和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路(dinl)RC常數(shù)所確定。 當(dāng)調(diào)制頻率與渡越時間(shjin)d的倒數(shù)可以相比時， 耗盡層(I層)對量子效率()的貢獻(xiàn)可以

8、表示為第16頁/共90頁第十七頁，共91頁。(3.18)2/)2/sin()0()(ddwwwvfsdc42.042.0（3.19） 式中，渡越時間(shjin)d=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場強(qiáng)度。 由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間(shjin)d，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率。第17頁/共90頁第十八頁，共91頁。10100100010000100060020010060 40 20 10641.01.06 mSi-PIN0.950.900

9、.850.800.6328 / MHz / m400圖3.23 內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系第18頁/共90頁第十九頁，共91頁。 由電路RC時間常數(shù)限制的截止頻率截止頻率dtccRf21(3.20) 式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻(dinz)和負(fù)載電阻(dinz)的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。 wACj(3.21) 式中，為材料介電常數(shù)(ji din chn sh)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。 第19頁/共90頁第二十頁，共91頁。 (三) 噪聲。 噪聲影響光接收機(jī)的靈敏度。 噪聲包括散粒噪聲(Shot Noise)(由信號電流和暗電流產(chǎn)生) 熱噪聲(由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入

10、電阻產(chǎn)生) （ 1 ）均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22) e為電子電荷(dinh)，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號電流和暗電流。 第20頁/共90頁第二十一頁，共91頁。 2eIPB 稱為(chn wi)量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生) 2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流。 第21頁/共90頁第二十二頁，共91頁。（1）均方熱噪聲電流(dinli)RKTB4(3.23)i2T= 式中，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載

11、電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果(ji gu)。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為 i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4(3.24)第22頁/共90頁第二十三頁，共91頁。 雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流 I和反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。 隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。 當(dāng)反向偏壓增加到一定(ydng)數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。第23頁/共90頁第二十四頁，共91頁。 如果電壓增加到使電場達(dá)到如果電壓增加到使電場達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子以上，初始電子(一次電子一次電子)在在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動高電

12、場區(qū)獲得足夠能量而加速運動(yndng)。 高速運動高速運動(yndng)的電子和晶格原子相碰撞，的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子產(chǎn)生新的電子 - 空穴對?？昭▽?。 第24頁/共90頁第二十五頁，共91頁。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子(yunz)碰撞。 如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。 所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。 第25頁/共90頁第二十六頁，共91頁。 圖 3.24 光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系 U暗電流I00UB第26頁/共90頁第二十七頁，共91頁。 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖

13、(只畫出電子）I0NPP(N)光第27頁/共90頁第二十八頁，共91頁。圖3.26 APD結(jié)構(gòu)圖電 極電 極光抗 反 射 膜NPP(P)E 圖3.26示出的N+PP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型拉通型APD。第28頁/共90頁第二十九頁，共91頁。 對APD特性新引入的參數(shù)是倍增因子和附加噪聲指數(shù) 1. 倍增因子 倍增因子g(一次光生電流產(chǎn)生(chnshng)的平均增益的倍數(shù))定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。 PIIg0(3.25) APD的響應(yīng)(xingyng)度比PIN增加了g倍。第29頁/共90頁第三十頁，共91頁。nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100(3.26) U

14、為反向(fn xin)偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。 當(dāng)UUB時，RIo/UB1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲(zoshng)增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲(zoshng)電流應(yīng)為i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中， x為附加噪聲(zoshng)指數(shù)。 第31頁/共90頁第三十二頁，共91頁。 同理，APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為 i2d=2eIdBg2+x (3.27) 附加(fji)噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān) Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.

15、7。 當(dāng)式(3.26)和式(3.27)的g=1時，得到的結(jié)果和PIN相同。 第32頁/共90頁第三十三頁，共91頁。 光電二極管一般性能和應(yīng)用 表3.3和表3.4列出半導(dǎo)體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。 APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求(yoqi)較高的場合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。 靈敏度要求(yoqi)不高的場合，一般采用PIN-PD。 第33頁/共90頁第三十四頁，共91頁。-5-15-5-15工作電壓工作電壓 /V120.51結(jié)電容結(jié)電容 Cj/pF0.21210響應(yīng)時間響應(yīng)時間250.11暗電流暗電流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )響應(yīng)度響應(yīng)度1.0波長響應(yīng)波長響應(yīng)InGaAs-PINSi-PINm/)W/(A1ns/mm表表3.3 PIN光電二極管一般特光電二極管一般特性性第34頁/共90頁第三十五頁，共91頁。ns/0.4附加噪聲指數(shù)附加噪聲指數(shù) x203030100倍增因子倍增因子 g406050100工作電壓工作電壓 /V60串?dāng)_串?dāng)_/dB51.3插入損耗插入損耗/dB88電光電光12磁光磁光1010機(jī)機(jī)械械開關(guān)類型開關(guān)類型表表3.8 兩類光開關(guān)一般性能兩類光開關(guān)一般性能第