1、2022-7-413.2 半導(dǎo)體光檢測器半導(dǎo)體光檢測器 1. 光接收機(jī)光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分； 作用作用：把光發(fā)射機(jī)發(fā)送的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號并放大、再生恢復(fù)為原傳輸?shù)男盘枴?2022-7-42 圖5.1 光接收機(jī)組成框圖 光檢測器光信號電信號前 置放大器主放大器均衡器濾波器 光檢測器產(chǎn)生的光電流是非常微弱的，必須由前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，因此前置放大器的噪聲對光接收機(jī)的靈敏度影響非常大；主放大器是為了提供足夠的增益，并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制（AGC)，以使光信號在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號保持穩(wěn)定；均衡器以及濾波器對信號進(jìn)行進(jìn)一步放大及整形，以提高系統(tǒng)性能。

2、組成組成：2022-7-43（1）在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；（2）具有足夠快的響應(yīng)速度響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；（3）具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；（4）具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；（5）具有較小的體積、較長的工作壽命等。2.對光檢測器的基本要求對光檢測器的基本要求:2022-7-44 PIN光電二極管 APD雪崩二極管 本節(jié)介紹發(fā)光二極管的工作原理，基本結(jié)構(gòu)和主要特性。3.光檢測器的常用類型光檢測器的常用類型2022-7-451、光電二極管的結(jié)構(gòu)和功能、光電二極管的結(jié)構(gòu)和功能

3、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 光電二極管是一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管。 功能：功能：把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 3.2.1 光電二極管光電二極管(PD)工作原理工作原理 2022-7-461)在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成耗盡層如圖3.19(a)。 2、工作過程、工作過程2022-7-47 圖 3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a) P - N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b) 零偏壓時(shí)P - N結(jié)的能帶圖； hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電

4、子，空穴(c)勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env(b)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場 擴(kuò)散 漂移(a)中性層耗盡層2022-7-482)當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙(hfEg)， 便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子 - 空穴對。 在耗盡層，由于內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)， 形成漂移電流。 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電流漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。分量的總和即為

5、光生電流。2022-7-492022-7-410當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子- 空穴對的運(yùn)動(dòng)，在空穴對的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管管(PD)。 2022-7-4113)當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時(shí)，

6、外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢壘加強(qiáng)，在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。4)當(dāng)入射光子能量小于Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足 gcggEhcEhcEhf c為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，稱為截止波長。 以Si為材料的光電二極管,c=1.06m;以Ge為材料的光電二極管，c=1.60m。光檢測器工作過程2022-7-4123、光電二極管的特點(diǎn)、光電二極管的特點(diǎn) 利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管,結(jié)構(gòu)簡單，但響應(yīng)速度慢，器件的穩(wěn)定度較差。原因原因：1）加偏壓，增加耗盡層的寬度，縮小中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量

7、，提高了漂移量（v漂v擴(kuò)）提高了響應(yīng)速度 ；2）同時(shí)，加寬耗盡層，也增加載流子漂移的渡越時(shí)間，響應(yīng)速度降低 。需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。2022-7-4131、采用、采用PIN的原因的原因： 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I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。 2、PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 見圖3.20和圖3.21。 3.2.2 PIN光電二極管光電二極管2022-7-414圖3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及光強(qiáng)分布抗反射膜光

8、電極(n)PNE電極 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。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：2022-7-415工作原理工作原理：I層很厚，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 - 空穴對，大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位;同時(shí)I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時(shí)間很短，大大提高了器件的響應(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。 2022-7-416 3、PIN光電二極管具有如下主要特性：光電二極管具有如下主要特性： (1)光電轉(zhuǎn)換效率和光譜特性。

9、光電轉(zhuǎn)換效率和光譜特性。 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示。 量子效率量子效率：為一次光生電子 -空穴對和入射光子數(shù)的比值 ehfPIhfpeIPp00= 光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子空穴對數(shù) 入射光子數(shù) 2022-7-417響應(yīng)度：響應(yīng)度：為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值 = IP / P0 = e/ hf （A/W) 式中， hf為光子能量， e為電子電荷。量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。2022-7-418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)系由圖可見，Si適用于0.80.9m波段，Ge和InGaA

10、s適用于1.31.6 m波段。響應(yīng)度一般為0.50.7 (A/W)。 10305070 90GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W 1)Si量子效率的光譜特性：量子效率的光譜特性：取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜2022-7-419 (2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)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(shí)間或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數(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(shí)間，分別定義為脈沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間f。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)，其脈沖前沿

11、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(shí)間 =r=f=2.20 (3.16) 2022-7-420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的頻率定義為截止頻率截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)， (3.17)脈沖上升時(shí)間r 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d和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。當(dāng)調(diào)制頻率與渡越時(shí)間d的倒數(shù)可以相比時(shí)， 耗盡層(I層)對量子效率()的貢獻(xiàn)可以表示為 (3.18）rcf35. 02102/)2/sin()0()(ddww2022-7-4

12、21圖3.23 內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系10100100010000100060020010060 40201064200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 1.06 mSi-PIN0.950.900.850.800.6328帶 寬 / MHz內(nèi)量子效率耗 盡 區(qū) 寬 度 / m400wfc w 渡越時(shí)間d fc fc相等時(shí)， 2022-7-422耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起延遲：耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起延遲：tt光脈沖檢波輸出電流脈沖耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收。由于擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會(huì)帶來附加時(shí)延，會(huì)使輸

13、出電信號脈沖拖尾加長，如圖所示。從而影響響應(yīng)速度。2022-7-423n 光電二極管在接收機(jī)中使用時(shí)通常由偏光電二極管在接收機(jī)中使用時(shí)通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測器的響置電路與放大器相連，這樣檢測器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。 圖5.5為檢測器電路及其等效電路。2022-7-424 圖5.5 光電二極管電路(a)接收電路；(b)等效電路 其中Cd、Rs、RL分別為檢測器的結(jié)電容、串聯(lián)電阻、負(fù)載電阻，CA、RA分別為放大器的輸入電容和電阻。(a)(b)hvCd輸 出RsRLRACAAhv輸 出RLAUCC2022-7-425 (3) 噪聲噪聲 噪聲直接影響光接收機(jī)

14、的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(Shot Noise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。 均方散粒噪聲電流均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.21)式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號電流和暗電流。2022-7-426 式(3.21)第一項(xiàng)2eIPB稱為量子噪聲量子噪聲，是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)生的。只要有光信號輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。 式(3.21)第二項(xiàng)2eI

15、dB是暗電流暗電流產(chǎn)生的噪聲。暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如SiPIN， Id100nA。 2022-7-427式中，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，B為放大器帶寬，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為 i2=2e(IP+Id)B + RKTB4RKTB4 i2T= (3.23)均方熱噪聲電流均方熱噪聲電流:2022-7-428 圖 3.24 光電二極管輸出電流I和反向偏壓U

16、的關(guān)系 反向偏壓U光電流暗電流輸出光電流I00UB 3.2.3 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 1、 APD的設(shè)計(jì)依據(jù)的設(shè)計(jì)依據(jù) UB為擊穿電壓2022-7-4292、 APD的工作原理及結(jié)構(gòu)的工作原理及結(jié)構(gòu)n根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子 - 空穴對。n如果電壓增加到使電場達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子 - 空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。 2022-7

17、-4301.雪崩光電二極管光電轉(zhuǎn)換原理2022-7-431 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖I0NPP(N)光雪崩效應(yīng)2022-7-432 APD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 有多種類型，如圖3.26示出的N+PP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。電極電極光抗反射膜NPP(P)E圖3.26 APD結(jié)構(gòu)圖2022-7-433在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。 2022-7-4343、 APD的主要性質(zhì)的主要性質(zhì)1）

18、倍增因子倍增因子 由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用， 并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。 PIIg02022-7-435 雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流而且對噪聲電流同樣起放大作用，所以如果不考慮別的因素，APD的信號電流產(chǎn)生的均方量子噪聲電流為 i2q=2eIPBg2 (3.26a) 這是對噪聲電流直接放大產(chǎn)生的，并未引入新的噪聲成分。 2. 過剩噪聲因子過剩噪聲因子2022-7-436事實(shí)上，雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機(jī)的，所以會(huì)引入新的噪聲成分，并表示為過剩噪聲因子F。 F(1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為 i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中， x為附加噪聲