半导体光检测器原理3版

1、No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版1 3.2 半导体光检测器半导体光检测器 n 光接收机光接收机是光纤通信系统的重要组成 部分； 作用作用：把光发射机发送的携带有信息的 光信号转化成相应的电信号并放大、再 生恢复为原传输的信号。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版2 图5.1 光接收机组成框图 光检测器 光信号 电信号 前 置 放大器 主放大器均衡器滤波器 光检测器产生的光电流是非常微弱的，必须由前置放大 器进行低噪声放大，因此前置放大器的噪声对光接收机的灵 敏度影响非常大；主放大器是为了提供足够的增益，并通过 它实现自动增益控制（AGC)，以使光信

2、号在一定范围内变 化时，输出电信号保持稳定；均衡器以及滤波器对信号进行 进一步放大及整形，以提高系统性能。 组成组成： No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版3 （1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度响应度， 即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大 的光电流； （2）具有足够快的响应速度响应速度，能够适用于高速或 宽带系统； （3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信 号的影响； （4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程 中的不失真； （5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。 对光检测器的基本要求对光检测器的基本要求: No Image 2021-5-4半导体光检测

3、器原理3版4 PIN光电二极管 APD雪崩二极管 本节介绍发光二极管的工作原理， 基本结构和主要特性。 光检测器的常用类型光检测器的常用类型 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版5 1、光电二极管的结构和功能、光电二极管的结构和功能 结构结构： 光电二极管是一个工作在反向偏压 下的PN结二极管。 功能：功能：把光信号转换为电信号，是由半导 体PN结的光电效应实现的。 3.2.1 光电二极管光电二极管(PD)工作原理工作原理 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版6 n在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散 运动，形成内部电场。内部电场使电子 和空穴产生与扩散

4、运动方向相反的漂移 运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界 面附近形成耗尽层如图3.19(a)。 2、工作过程、工作过程 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版7 图 3.3PN结的能带和电子分布 (a) P - N结内载流子运动；(b) 零偏压时P - N结的能带图； hf hf E p c E p f E p v E n c E n f E n v 内部电场 外加电场 电子，空穴 (c) 势垒 能量 E p c P区 E n c E f E p v N区 E n v (b) P区 PN 结空 间电 荷区 N区 内部电场 扩散 漂移 (a) 中性层 耗尽层 No Image

5、2021-5-4半导体光检测器原理3版8 n当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或 等于带隙(hfEg)， 便发生受激吸收，即价带的 电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子 - 空穴对。 在耗尽层，由于内部电场的作用，电子 向N区运动，空穴向P区运动， 形成漂移电流。 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热 运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进 入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流 相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流漂移电流分量和扩散电流 分量的总和即为光生电流。分量的总和即为光生电流。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版9 No Image

6、2021-5-4半导体光检测器原理3版10 当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电 动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N 区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴 流向N区，便形成了光生电流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而 把光信号转换成电信号。这种由这种由PN结构成，在入射光作结构成，在入射光作 用下，由于受激吸收过程产生的电子用下，由于受激吸收过程产生的电子- 空穴对的运动，在空穴对的运动，在 闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极 管管(PD)。 No Image 2021-5-4半

7、导体光检测器原理3版11 n当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的 内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附 近载流子基本上耗尽形成耗尽区。 n当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强， 光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满 足 g c g g E hc E hc Ehf c为产生光电效应的入射 光的最大波长，称为截止波 长。 以Si为材料的光电二极 管,c=1.06m;以Ge为材料的 光电二极管，c=1.60m。 光检测器工作过程 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版12 3、光电二极管的特点、光电二极管的特点 利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管,

8、结 构简单，但响应速度慢，器件的稳定度较差。 原因原因：1）加偏压，增加耗尽层的宽度，缩小中性区 的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量，提高了漂移 量（v漂v扩）提高了响应速度 ； 2）同时，加宽耗尽层，也增加载流子漂移的渡越时 间，响应速度降低 。 需要改进PN结光电二极管的结构。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版13 1、采用、采用PIN的原因的原因： 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被 中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。 为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度 很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN 光电二极管。 2、PIN

9、光电二极管的结构和工作原理光电二极管的结构和工作原理 见图3.20和图3.21。 3.2.2 PIN光电二极管光电二极管 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版14 图3. 21 PIN光电二极管结构及光强分布 抗反射膜 光 电极 (n) P N E 电极 中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用(N)表示；两 侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。 结构：结构： No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版15 工作原理工作原理： I层很厚，入射光很容易进 入材料内部被充分吸收而产 生大量电子 - 空穴对，大幅 度提高了光电转换效率。 I层几

10、乎占据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占 支配地位;同时I层两侧的P层、 N层很薄，光生载流子的漂 移时间很短，大大提高了器 件的响应速度。 另外，可通过控制耗尽层 的宽度w，来改变器件的响 应速度。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版16 3、PIN光电二极管具有如下主要特性：光电二极管具有如下主要特性： (1)光电转换效率和光谱特性。光电转换效率和光谱特性。 光电转换效率用量子效率或响应度表示。 量子效率量子效率：为一次光生电子 -空穴对和入射光子 数的比值 e hf P I hf p e I P p 0 0 = 光电转换产生的有效电子空穴对数 入射光子数 No

11、Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版17 响应度：响应度：为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值 = IP / P0 = e/ hf （A/W) 式中， hf为光子能量， e为电子电荷。 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版18 图3-22 PIN光电二极管响应度 、量子效应率 与波长 的关系 由图可见，Si适用于0.80.9m波段，Ge和InGaAs适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.7 (A/W)。 10 30 50 70 90 Ge InGaAs

12、 0.70.91.11.31.51.7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 m (W 1) Si 量子效率的光谱特性：量子效率的光谱特性：取决于半导体材料的吸收光谱 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版19 (2) 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响 应时间或截止频率fc(带宽B)表示。 对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最 大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时 间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。当光 电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后 沿相同，且接近指数函数ex

13、p(t/0)和exp(-t/0)，由此得到 脉冲响应时间 =r=f=2.20 (3.16) No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版20 对于幅度一定，频率为=2f的正弦调制信号，用光 生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率截止频率fc。当光电二 极管具有单一时间常数0时， (3.17) 脉冲上升时间r PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流 子在耗尽层的渡越时间d和包括光电二极管在内的检测 电路RC常数所确定。当调制频率与渡越时间d的倒数 可以相比时， 耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表 示为 (3.18） r c f 35. 0 2 1 0 2/ )2/

14、sin( )0()( d d w w No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版21 图3.23 内量子效率和带宽的关系 10 1001000 10000 1000600 20010060 402010 642 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.06 m Si-PIN 0 .9 5 0 .9 0 0 .8 5 0 .8 0 0 .6 3 2 8 带 宽 / MHz 内 量 子 效 率 耗 尽 区 宽 度 / m 400 w fc w 渡越时间d fc fc相等时， No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版22

15、耗尽区外产生的载流子扩散引起延迟：耗尽区外产生的载流子扩散引起延迟： t t 光脉冲 检波输出 电流脉冲 耗尽区外产 生的载流子一部 分复合，一部分 扩散到耗尽区， 被电路吸收。由 于扩散速度比漂 移速度慢得多， 因此，这部分载 流子会带来附加 时延，会使输出 电信号脉冲拖尾 加长，如图所示。 从而影响响应速 度。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版23 n 光电二极管在接收机中使用时通常由偏光电二极管在接收机中使用时通常由偏 置电路与放大器相连，这样检测器的响置电路与放大器相连，这样检测器的响 应特性必然与外电路相关。应特性必然与外电路相关。 图5.5为检测器电路及其等

16、效电路。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版24 图5.5 光电二极管电路 (a)接收电路；(b)等效电路 其中Cd、Rs、RL分别为检测器的结电容、串联电阻、负载电阻， CA、RA分别为放大器的输入电容和电阻。 (a)(b) hv C d 输 出 R s R L R A C A A hv 输 出 R L A U CC No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版25 (3) 噪声噪声 噪声直接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声 包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声(Shot Noise)和由 负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。 噪声通常用均方噪声

17、电流(在1负载上消耗的噪声功率) 来描述。 均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.21) 式中，e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信 号电流和暗电流。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版26 式(3.21)第一项2eIPB称为量子噪声量子噪声，是由于入射光子 和所形成的电子 - 空穴对都具有离散性和随机性而产生的。 只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本 征噪声， 它决定光接收机灵敏度的极限。 式(3.21)第二项2eIdB是暗电流暗电流产生的噪声。暗电流是 器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流， 它

18、包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散 形成的本征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有 关，例如SiPIN， Id100nA。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版27 式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，B为放大 器带宽，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负 载电阻和放大器输入电阻并联的结果。 因此， 光电二极管的总均方噪声电流为 i2=2e(IP+Id)B + R KTB4 R KTB4 i2T= (3.23) 均方热噪声电流均方热噪声电流: No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版28 图 3.24 光电二极管输出电流I和反

19、向偏压U的关系 反向偏压 U 光电流 暗电 流 输出光电流I0 0UB 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 1、 APD的设计依据的设计依据 UB为击穿电压 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版29 2、 APD的工作原理及结构的工作原理及结构 n根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸 收而产生电子 - 空穴对。 n如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初 始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运 动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子 电离，产生新的电子 - 空穴对。新产生的二次电子再 次和原子碰撞。多次碰撞，产生连锁反应，致

20、使载流 子雪崩式倍增，所以这种器件就称为雪崩光电二极管 (APD)。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版30 1.雪崩光电二极管光电 转换原理 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版31 图 3.25 APD载流子雪崩式 倍增示意图 I0 NPP(N) 光 雪崩效应 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版32 APD的结构的结构 有多种类型，如图3.26示出的N+PP+结构被称为拉 通型APD。 电极 电极 光 抗反射膜 N P P (P) E 图3.26 APD结构图 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版33 在这

21、种类型的结构中，当偏压加大到一定值后， 耗尽层拉通到(P)层，一直抵达P+接触层，是一种 全耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管(RAPD)具有 光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版34 3、 APD的主要性质的主要性质 1） 倍增因子倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所 以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的 倍数来描述它的放大作用， 并把倍增因子g定义 为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。 P I I g 0 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版35 雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流 同样起放大作用，所以如果不考虑别的因素，APD 的信号电流产生的均方量子噪声电流为 i2q=2eIPBg2 (3.26a) 这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新 的噪声成分。 2. 过剩噪声因子过剩噪声因子 No Image 2021-5-4半导体光检测器原理3版36 事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以 会引入新的噪声成分，并表示为过剩噪声因子F。 F(1) 是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx， APD的均方量子噪声电流应为 i2q=2eIPB