光纖通信 3.2光檢測(cè)器課件

光電轉(zhuǎn)換器件要求:高效率、低噪聲、寬帶原理：光吸收在半導(dǎo)體材料上，當(dāng)入射光子能量h超過(guò)帶隙能量時(shí)，每當(dāng)一個(gè)光子被半導(dǎo)體吸收就產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì)。在外加電壓建立的電場(chǎng)作用下，電子和空穴就在半導(dǎo)體中渡越并形成電流流動(dòng)，稱(chēng)為光電流，其電流大小Ip與入射光功率Pin目前常用的光檢測(cè)器有:PIN光電二極管、雪崩二極管APDρ—光電檢測(cè)器的響應(yīng)度（A/W）入射光半導(dǎo)體3.2光檢測(cè)器耗盡層外光作用電子-空穴對(duì)在擴(kuò)散及E內(nèi)作用產(chǎn)生擴(kuò)散電流3.2.1PN光電二極管(1)工作原理：入射光從P側(cè)進(jìn)入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流。光生電動(dòng)勢(shì)耗盡層內(nèi)光作用電子-空穴對(duì)在E內(nèi)作用產(chǎn)生漂移電流+-光生電流P區(qū)耗盡區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng)擴(kuò)散漂移響應(yīng)時(shí)間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時(shí)間遲后，其值主要決定于載流子通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間會(huì)限制帶寬。通過(guò)施加外部反方向偏壓的方式提高Vs,減少渡越時(shí)間。3.2.1PN光電二極管(2)3.2.2PIN光電二極管(1)在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡區(qū)寬度w，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)度的要求。由于PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時(shí)各層的場(chǎng)分布3.2.2PIN光電二極管(2)InGaAsPIN光電二極管的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：N區(qū)和P區(qū)：InP，對(duì)>920nm的光透明；I區(qū):InGaAs；

=1300~1600nm強(qiáng)烈吸收PIN-PD特性參數(shù)(1)入射光功率Pin中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光電流的光子數(shù)和入射總光子數(shù)之比稱(chēng)為量子效率.響應(yīng)度ρ產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)的個(gè)數(shù)入射的光子數(shù)在光電二極管的應(yīng)用中，100個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生30到95個(gè)電子－空穴對(duì)，因此檢測(cè)器的量子效率范圍為30%~95%。為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使得可以吸收大部分的光子。PIN-PD特性參數(shù)(2)

光譜響應(yīng)對(duì)一給定的探測(cè)區(qū)材料就有一個(gè)能夠探測(cè)的最低頻率或最大波長(zhǎng)，而對(duì)波長(zhǎng)大于這個(gè)極限波長(zhǎng)的光波就不能被探測(cè)到。光子能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，價(jià)帶上的電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，否則不論入射光多強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生。所以，任何一種材料制作的光電二極管都有上截止波長(zhǎng)C：響應(yīng)時(shí)間和

頻率特性光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間τ或截止頻率fc（帶寬B）表示PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定PIN-PD特性參數(shù)(4)圖3.23內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系反向偏壓U光電流暗電流輸出光電流I00UB3.2.3雪崩光電二極管APD工作原理：電離碰撞PIN:1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),無(wú)增益APD:利用電離碰撞,1個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子-空穴對(duì),有增益基本結(jié)構(gòu)：增加了一個(gè)附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對(duì)。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對(duì)的作用。工作過(guò)程：入射光-------一對(duì)電子-空穴對(duì)(一次光生電流)--------------與晶格碰撞電離---------多對(duì)電子-空穴對(duì)(二次光生電流）吸收外電場(chǎng)加速圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖圖3.26APD結(jié)構(gòu)圖

APD特性參數(shù)(1)響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間和頻率特性、噪聲（定義與PIN同）倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值g隨反向偏壓、波長(zhǎng)和溫度變化

U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用性能（表3.3、表3.4）應(yīng)用在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對(duì)于大多數(shù)鏈路是個(gè)相對(duì)比較廉價(jià)的解決方案。在長(zhǎng)距離的鏈路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。

APD檢測(cè)器與PIN檢測(cè)器相比，具有載流子倍增效應(yīng)，其探測(cè)靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。要視具體應(yīng)用場(chǎng)合而選定。InGaAs-APD（響應(yīng)速度快）適于超高速光纖通信系統(tǒng)-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結(jié)電容Cj/pF0.2~12~10響應(yīng)時(shí)間2~50.1~1暗電流