1、第5章 光電檢測器,三大基本光器件,光源：光纖通信系統(tǒng)的心臟，作用是完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。 光纖：具有巨大的可用帶寬資源，承載著通信業(yè)務(wù)種類和容量的日益增長的需求。 光電檢測器：光接收機的核心器件，任務(wù)是光纖傳輸?shù)墓庑盘栟D(zhuǎn)換成其他通信電宿端設(shè)備可用的電信號。,三者的關(guān)聯(lián),與輸入光電檢測器的光信號強弱有關(guān) 受光源的功率和光纖本身的衰減限制 總之，光電檢測器完成光檢測任務(wù)與輸入光信號的質(zhì)量有關(guān),對光電檢測器的要求,高的光電轉(zhuǎn)換效率 與光源的工作波長范圍有極快的響應(yīng)速度，或者有極大的帶寬 高的靈敏度 功率消耗盡可能低 便于耦合 穩(wěn)定，可靠，便宜,主要內(nèi)容,光電檢測器 PN結(jié)光電二極管 PIN光電

2、二極管 雪崩光電二極管APD 光電二極管的一般性能和應(yīng)用,光電檢測器是光接收機的核心。 光電檢測器的功能：利用光電效應(yīng)，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 常見光電檢測器： PN光電二極管 PIN光電二極管 雪崩光電二極管APD,1 光電檢測器,工作原理： 當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時，光子能量大于或等于帶隙能量時，價帶的電子通過受激吸收躍遷至導(dǎo)帶，形成電子-空穴對。當(dāng)電路閉合時，這些自由載流子的定向流動形成（光）電流。 施加反向偏壓可以增強光電流。,2 PN光電二極管,光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)

3、光空穴，即產(chǎn)生光電子-空穴對。又稱光生載流子。,光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，如圖 (a)所示。從而在電阻R上有信號電壓輸出。這樣，就實現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號變化的光電轉(zhuǎn)換作用。,圖 (b)是P-N結(jié)及其附近的能帶分布圖。要注意的是能帶的高、低是以電子(負(fù)電荷)的電位能為根據(jù)的，電位越負(fù)能帶越高。 由圖可見：外加負(fù)偏壓產(chǎn)生的電場方向與內(nèi)建電場方向一致，有利于耗盡層的加寬。,3 PIN光電二極管,由于PN結(jié)耗盡區(qū)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層），這種

4、結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。,基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管,工作原理,光照hvEg-耗盡區(qū)吸收大部分光-受激吸收 -光生載流子-耗盡區(qū)電場作用，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移-反向電壓，耗盡區(qū)加寬 -接通電路，R上有電流,4 雪崩光電二極管,雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)與PIN不同表現(xiàn)在增 加了一個附加層，以實現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次 電子-空穴對，在反向時夾在I層和N層間的P 層中存在高電場，該層稱為倍增區(qū)或增益區(qū) 雪崩區(qū)，耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子 -空穴對的作用。,四層結(jié)構(gòu),1、高摻雜的N+型半導(dǎo)體，為接觸層； 2、倍增層（雪崩區(qū)）； 3、輕摻雜半導(dǎo)體I層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；4、高摻雜的P

5、+型半導(dǎo)體，為接觸層。,APD的工作原理,入射光信號 - 受激吸收 形成最初電子空穴對 - 反向電壓 空穴對加速運動 -與中性原子碰撞產(chǎn)生能量 - 電子從低能級移到高能級 - 形成二次電子-空穴對 - 多次碰撞 -載流子數(shù)急增 - 反向電流迅速增大 - 雪崩倍增效果,APD的倍增因子,APD器件的放大作用，用倍增因子表示： G = 輸出光電流/一次光生電流 = I0/Ip,光電檢測器的特性,響應(yīng)度： R=Ip/Pin 量子效率：R*hf/e 響應(yīng)速度：（響應(yīng)時間） 暗電流： 表面暗電流、體內(nèi)暗電流 倍增因子：g=I0/Ip 溫度特性:溫度升高、倍增增益下降 噪聲特性：種類,5 光電二極管的一般

6、性能和應(yīng)用, PIN二極管特點 機構(gòu)簡單，可靠性高。電壓低，使用方便。 量子效率高。 噪聲小。 帶寬較高。, APD二極管特點 靈敏度高。 高增益。 高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 噪聲大。, 使用場合： PIN：廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，在靈敏度要求不高的場合，一般都采用PIN. APD:在光接收機靈敏度要求高的場合，采用APD。有利于延長傳輸距離。 如：小信號測量。,一、填空： 1 衡量光電檢測器性能的技術(shù)指標(biāo)有（）（）（）（）（）。 2 接收機中存在的噪聲源可分為（）（）（） 二、簡答題： 1 雪崩光電二極管是利用什么原理使檢測靈敏度得到大大提高的？ 2 半導(dǎo)體光電二極管是利用什么原理實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的？ 3 比較APD、PIN光電檢測器的優(yōu)缺點。,1 是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增