1、第六章 光檢測(cè)器光電檢測(cè)器的要求- 能檢測(cè)出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器：光電二極管和雪崩光電二極管- 足夠高的響應(yīng)度，對(duì)一定的入射功率能輸出足夠大的光電流- 具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響- 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真- 具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等光電二極管物理原理及其參數(shù)雪崩倍增管的原理及其參數(shù)光電檢測(cè)器的噪聲分析光電檢測(cè)器的帶寬主要內(nèi)容6.1 光電二極管的物理原理光電二極管實(shí)際上是一個(gè)加了反向偏壓的pn結(jié)n型p型耗盡層耗盡層當(dāng)反向偏壓足夠大時(shí)耗盡區(qū)自由載流子被完全耗盡pn當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時(shí)，會(huì)

2、在整個(gè)耗盡區(qū) (高場(chǎng)區(qū)) 及耗盡區(qū)附近引起受激躍遷現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。耗盡區(qū)受到光的照射pnhv產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在外部電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，被電極收集產(chǎn)生電流載流子的收集pnE光生電流 I電載流子在移動(dòng)的過(guò)程中：電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度Dn擴(kuò)散系數(shù)，tn電子壽命Dp擴(kuò)散系數(shù)，tp空穴壽命電子擴(kuò)散長(zhǎng)度空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度電子 - 空穴對(duì)會(huì)重新復(fù)合而消失載流子處在較高的能態(tài)L載流子壽命過(guò)短 - 載流子無(wú)法到達(dá)電極變成光生電流光電二極管的工作原理1. pn結(jié)加一個(gè)較高的反向偏壓2. pn結(jié)耗盡區(qū)受到光的照射產(chǎn)生光生載流子3. 在外部偏壓的作用下，光生載流子定向漂移產(chǎn)生光生電流外加反向偏壓抽取光能量的過(guò)程pi

3、n光電二極管的結(jié)構(gòu)加反向偏置電壓后形成一個(gè)很寬的耗盡層高摻雜p+型高摻雜n+型i (本征)層：低摻雜n型耗盡區(qū)P(x)xpin在半導(dǎo)體材料中光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律：其中as(l)為材料對(duì)波長(zhǎng)l的吸收系數(shù)，P0是入射光功率，P(x)是光在耗盡區(qū)中經(jīng)過(guò)距離x后被吸收的功率pin的光吸收光損耗不同材料吸收系數(shù)as(l)與波長(zhǎng)的關(guān)系截止波長(zhǎng)lc由其帶隙能量Eg決定： lc = hc / Eg(1) l入射 l截止hv入射不足以激勵(lì)出電子(2) l入射 l截止材料對(duì)光子開(kāi)始吸收(3) l入射 l截止材料吸收強(qiáng)烈 (as很大)光的透射力變得很弱有一個(gè)GaAs光電二極管，在300 k時(shí)其帶隙能量為1.43

4、eV，其截止波長(zhǎng)為：因此，檢測(cè)器不能用于波長(zhǎng)范圍大于869 nm的系統(tǒng)中。例如果耗盡區(qū)寬度為w，在距離w內(nèi)吸收光功率為：如果二極管的入射表面反射系數(shù)為Rf，初級(jí)光電流為：其中q是電子電荷。量子效率定義為產(chǎn)生的電子-空隙對(duì)與入射光子數(shù)之比：量子效率只與波長(zhǎng)有關(guān)，而與Pin無(wú)關(guān)pin的量子效率有一個(gè)InGaAs光電二極管，在100ns內(nèi)共入射了波長(zhǎng)為1300 nm的光子6106 個(gè)，產(chǎn)生了 5.4106 個(gè)電子空隙對(duì)，則其量子效率可以等于：實(shí)際檢測(cè)器的量子效率一般在30%-95%之間。增加量子效率的辦法是增加耗盡區(qū)的厚度，使大部分的入射光子可以被吸收。但是耗盡區(qū)越寬，pin的響應(yīng)速度會(huì)變慢。因此二

5、者構(gòu)成一對(duì)折衷。例光電二極管的性能常使用響應(yīng)度 來(lái)表征：例：能量為1.53 10-19 J的光子入射到光電二極管上，此二極管的響應(yīng)度為0.65 A/W，如果入射光功率為10 mW，則產(chǎn)生的光電流為：pin的響應(yīng)度在1550 nm處典型響應(yīng)度為0.7 A/W響應(yīng)度 vs. 波長(zhǎng)如圖所示，Si和Ge作為光敏材料響應(yīng)度都不高如上圖所示，波長(zhǎng)范圍為1300 nm - 1600 nm的InGaAs pin，量子效率約為90%，因此響應(yīng)度為：當(dāng)波長(zhǎng)為1300 nm時(shí)：當(dāng)波長(zhǎng)大于1600 nm時(shí)，光子能量不足以激發(fā)出一個(gè)電子。當(dāng)波長(zhǎng)1100 nm時(shí)，光子在接近光電二極管的表面被吸收，所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的復(fù)合

6、壽命很短，很多載流子并沒(méi)有產(chǎn)生光電流。所以在短波長(zhǎng)響應(yīng)度的值迅速降低。例光電二極管物理原理及其參數(shù)雪崩倍增管的原理及其參數(shù)光電檢測(cè)器的噪聲分析光電檢測(cè)器的帶寬主要內(nèi)容雪崩二極管 (APD)設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)：在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱噪聲時(shí)已經(jīng)在高電場(chǎng)的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于提高接收機(jī)靈敏度工作過(guò)程拉通型雪崩二極管 (RAPD)“拉通”來(lái)源于其工作情況： 增加偏壓，使耗盡區(qū)正好拉通到整個(gè)本征p區(qū)，以增加高阻材料帶有少量p摻雜的本征材料p+ppn+結(jié)構(gòu)雪崩二極管 (APD) 照片光電二極管中所有載流子產(chǎn)生的倍增因子M定義為：IM ：雪崩增益后輸出電流的平均值Ip：未倍增時(shí)的初級(jí)光電流V：反向偏壓

7、VB：二極管擊穿電壓n：常數(shù)，一般為 2.57 類似于pin，APD的性能也由響應(yīng)度來(lái)表征：倍增因子和響應(yīng)度一種硅APD在波長(zhǎng)900 nm時(shí)的量子效率為65%，假定0.5 mW的光功率產(chǎn)生的倍增電流為10 mA，試求倍增因子M。初級(jí)光電流為：倍增因子M為：例光電二極管物理原理及其參數(shù)雪崩倍增管的原理及其參數(shù)光電檢測(cè)器的噪聲分析光電檢測(cè)器的帶寬主要內(nèi)容6.2 光檢測(cè)器噪聲輸出端信噪比：S/N = 光電流信號(hào)/(光檢測(cè)器噪聲功率+放大器噪聲功率)為了得到較高的信噪比：1. 光檢測(cè)器具有較高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號(hào)功率2. 使光檢測(cè)器和放大器噪聲盡可能低噪聲來(lái)源信號(hào)功率為P(t)的調(diào)制光信號(hào)落在

8、檢測(cè)器上，則產(chǎn)生的初級(jí)光電流為：對(duì)于pin，均方信號(hào)電流為：對(duì)于APD，均方信號(hào)電流為：信號(hào)部分：光生電流信號(hào)光信號(hào)照射到檢測(cè)器時(shí)，光電子產(chǎn)生和收集過(guò)程具有隨機(jī)性，從而帶來(lái)量子噪聲。對(duì)于接收帶寬為 B的接收機(jī)，量子噪聲均方根電流由下式?jīng)Q定：其中F(M) Mx是噪聲系數(shù)，它與雪崩過(guò)程的隨機(jī)特性有關(guān)。噪聲部分：量子噪聲pinAPD暗電流是指，沒(méi)有光入射時(shí)流過(guò)檢測(cè)器偏置電路的電流，它包括體暗電流iDB，它源于pn結(jié)內(nèi)因熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的載流子：表面暗電流iDS由表面結(jié)構(gòu)(缺陷、清潔程度、面積大小)和偏置電壓決定：噪聲部分：暗電流噪聲會(huì)被雪崩區(qū)放大不會(huì)被雪崩區(qū)放大因子F用于衡量由于倍增過(guò)程的隨機(jī)性導(dǎo)致的檢

9、測(cè)器噪聲的增加。x稱為過(guò)剩噪聲指數(shù)，在01之間變化，具體值一般取決于材料：Si APD x = 0.3InGaAs APD x = 0.7Ge APD x = 1.0噪聲部分：雪崩倍增噪聲APD中的雪崩過(guò)程具有統(tǒng)計(jì)特性，不同的光生載流子的放大倍數(shù)可能不同，給放大后的信號(hào)帶來(lái)了幅度上的隨機(jī)噪聲。這里定義F為過(guò)剩噪聲因子，它近似等于：光檢測(cè)器的總均方噪聲電流為：檢測(cè)器的負(fù)載熱噪聲由RL的熱噪聲決定：總噪聲其中KB為波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。InGaAs光電二極管在波長(zhǎng)為1300 nm時(shí)有如下參數(shù)：初級(jí)體暗電流ID = 4 nA，負(fù)載電阻RL = 1000 W，量子效率h=0.90，表面暗電流可以

10、忽略，入射光功率為300 nW (-35 dBm)，接收機(jī)帶寬為20 MHz，計(jì)算接收機(jī)的各種噪聲。首先計(jì)算初級(jí)光電流：量子噪聲均方電流：例光檢測(cè)器均方暗電流：負(fù)載均方熱噪聲電流為：例 (續(xù))小結(jié)：對(duì)于 pin ，主要噪聲來(lái)自檢測(cè)器電路中的電阻和有源器件對(duì)于APD，電路噪聲不占重要地位，主要噪聲來(lái)源于檢測(cè)器被 雪崩區(qū)放大了的量子噪聲和體暗電流信噪比光電二極管物理原理及其參數(shù)雪崩倍增管的原理及其參數(shù)光電檢測(cè)器的噪聲分析光電檢測(cè)器的帶寬主要內(nèi)容6.3 檢測(cè)器響應(yīng)時(shí)間光電二極管的響應(yīng)時(shí)間是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。影響響應(yīng)時(shí)間的主要因素：1 耗盡區(qū)的光載流子的渡越時(shí)間2 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時(shí)間3

11、 光電二極管以及與其相關(guān)的電路的RC時(shí)間常數(shù)影響這三個(gè)因素的參數(shù)有：耗盡區(qū)寬度w、吸收系數(shù)as、等效電容、等效電阻等在耗盡區(qū)高電場(chǎng)加速的情況下，光生載流子可達(dá)極限速度例如：耗盡層為10 mm的Si光電二極管電場(chǎng)強(qiáng)度：20000 V/cm電子最大速度：8.4106 cm/s空穴最大速度：4.4106 cm/s光生載流子渡越時(shí)間耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子光載流子擴(kuò)散時(shí)間耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子p區(qū)或n區(qū)產(chǎn)生的載流子向耗盡區(qū)擴(kuò)散在耗盡區(qū)內(nèi)快速漂移到電極存在問(wèn)題：較長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間會(huì)影響光電二極管的響應(yīng)時(shí)間解決辦法：盡量擴(kuò)大耗盡層寬度擴(kuò)散速度 漂移速度當(dāng)檢測(cè)器受到階躍光脈沖照射時(shí)，響應(yīng)時(shí)間可使用輸出脈沖的上

12、升時(shí)間tr和下降tf時(shí)間來(lái)表示。在理想情況下tr = tf，但是由于非全耗盡性中載流子擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于漂移速度，使得trtf，造成脈沖不對(duì)稱。上升時(shí)間和下降時(shí)間光電二極管脈沖響應(yīng)1. 為了獲得較高的量子效率，耗盡區(qū)寬度w須遠(yuǎn)大于1/as ， 以便可以吸收大部分的光2. 同時(shí)如果w較大，會(huì)讓二極管結(jié)電容C變小，于是RLC常數(shù) 變小，從而得到較快的響應(yīng)3. 但是過(guò)大的w會(huì)導(dǎo)致渡越時(shí)間的增大：td = w/vd折衷取值范圍：1/as w 2/as (63% h 86.6%)帶寬設(shè)RT是檢測(cè)器電路電阻，CT是光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，則檢測(cè)器可以近似為一個(gè)RC低通濾波器，其帶寬為：例：如果光電二極管的電容為3 PF，放大器電容為4 PF，負(fù)載電阻為1 K歐姆，放大器輸入電阻為1歐姆，則CT = 7 PF，RT =1 K歐姆，所以電路帶寬：如果將負(fù)載電阻降為50歐姆，電路帶寬增加為455 MHz。6.4 InGaAs APD結(jié)構(gòu)金屬電極InP 倍增層InGaAs 吸收層InP 緩沖層InP 襯底光輸入一種廣泛應(yīng)