光探测器概述

1、 光电探测器 位于光接收机的最前端位于光接收机的最前端 作用是将接收到的光信号转换成电信号作用是将接收到的光信号转换成电信号 工作原理是基于光电效应工作原理是基于光电效应 光电效应 光电效应光电效应 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 在光的作用下，物体内的电子逸出物体在光的作用下，物体内的电子逸出物体 表面向外发射的现象叫做外光电效应表面向外发射的现象叫做外光电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 在光的作用下，材料电导率发生变化在光的作用下，材料电导率发生变化 在光的作用下，材料产生光生电动势在光的作用下，材料产生光生电动势 光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管 光

2、导管、光敏电阻光导管、光敏电阻 光电池、光电二（三）极管光电池、光电二（三）极管 光探测器工作原理 当当PN结加上反偏电压时，外加电场与内建电场方向一结加上反偏电压时，外加电场与内建电场方向一 致，外电场使势垒增强、耗尽层加宽致，外电场使势垒增强、耗尽层加宽 当光入射到当光入射到PN结上时，结上时， 光子能量满足光子能量满足 h Eg 价带上的电子吸收光子价带上的电子吸收光子 跃迁到导带，产生一个跃迁到导带，产生一个 电子电子空穴对空穴对 耗尽区中产生的电子耗尽区中产生的电子空穴对在电场的作用下，电空穴对在电场的作用下，电 子向子向N区漂移，空穴向区漂移，空穴向P区漂移，从而形成光电流区漂移，

3、从而形成光电流 入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从 而把光信号变为电信号而把光信号变为电信号 由光电效应可知，对任何一种材料制成的探测器而由光电效应可知，对任何一种材料制成的探测器而 言都有截止波长，定义为：言都有截止波长，定义为： g gg hc1.24 EE 光电探测器的性能参数 暗电流暗电流 在无光照时，由于热激励等一些因素，使得光探测器仍有电流输出，在无光照时，由于热激励等一些因素，使得光探测器仍有电流输出， 这种电流称之为暗电流这种电流称之为暗电流 响应度和量子效率响应度和量子效率 响应度定义为在一定波长的光照射下，光电探测器的平

4、均输出电流与响应度定义为在一定波长的光照射下，光电探测器的平均输出电流与 入射的光功率之比：入射的光功率之比： 量子效率定义为量子效率定义为： 响应度与量子效率的关系：响应度与量子效率的关系： 响应度是在外部电路中呈现的宏观灵敏特性响应度是在外部电路中呈现的宏观灵敏特性 量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性 p 0 0 I R P p 0 e h I P 通过结区的光生载流子数 入射到器件上的光子数 0 h e R 响应时间响应时间 响应时间是指光电探测器跟随入射光信号变化快慢的状态响应时间是指光电探测器跟随入射光信号变化快慢的状态 影响响应时间的主要因

5、素：载流子在耗尽区的渡越时间，影响响应时间的主要因素：载流子在耗尽区的渡越时间， 耗尽区外载流子扩散产生的时间延迟，耗尽区外载流子扩散产生的时间延迟，RC时间常数时间常数 噪声特性噪声特性 噪声源噪声源 线性度线性度 线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关 系的程度系的程度 热噪声：主要指负载电阻的热噪声热噪声：主要指负载电阻的热噪声 散粒噪声：量子噪声、暗电流噪声、散粒噪声：量子噪声、暗电流噪声、APD倍增噪声倍增噪声 几种常用的探测器 PIN光电二极管光电二极管 在在PN结中设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（结中设置一层掺杂浓度

6、很低的本征半导体（I层），层），I层的材料具有层的材料具有 高阻抗特性，使得高阻抗特性，使得PIN内部存在一个高电场区，内部存在一个高电场区，I层几乎占据整个耗尽层，层几乎占据整个耗尽层， 控制控制I层的厚度可以控制耗尽层的厚度层的厚度可以控制耗尽层的厚度 I层很厚（相对）入射光很容易被吸收，从而产生大量的电子层很厚（相对）入射光很容易被吸收，从而产生大量的电子空穴对，空穴对， 大幅提高了光电转换速率大幅提高了光电转换速率 I层的引入减小了扩散分量对响应速度的层的引入减小了扩散分量对响应速度的 影响，但过宽的耗尽层使得载流子通过影响，但过宽的耗尽层使得载流子通过 耗尽区的漂移时间过长，又将降低

7、响应耗尽区的漂移时间过长，又将降低响应 速度，因此应该将综合考虑设计速度，因此应该将综合考虑设计I层厚度层厚度 特点：响应频率高、响应速度快、线性特点：响应频率高、响应速度快、线性 度好成本低等度好成本低等 适用于短距离、小容量的光纤通信系统适用于短距离、小容量的光纤通信系统 APD 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应工作的一种二极管结在高反向电压下产生的雪崩效应工作的一种二极管 光从光从P+射入，进入射入，进入I层，材料吸收光能产生初级电子层，材料吸收光能产生初级电子空穴对空穴对 载流子在载流子在I层被耗尽层较弱的电场加速，移向层被耗尽层较弱的电场加速

8、，移向PN结结 进入结区后，载流子在高电场中不断加速获得很高的能量，与晶格原子碰撞进入结区后，载流子在高电场中不断加速获得很高的能量，与晶格原子碰撞 使晶格原子发生电离，产生新的电子使晶格原子发生电离，产生新的电子空穴对，新的电子空穴对，新的电子空穴对也被加速，空穴对也被加速， 又与其他原子碰撞发生电离，再次产生新的电子又与其他原子碰撞发生电离，再次产生新的电子空穴对，如此反复，实现对空穴对，如此反复，实现对 光电子雪崩式的放大，大大的提高了器件的响应度光电子雪崩式的放大，大大的提高了器件的响应度 特点：灵敏度高、响应速度快、具有内部增益等特点：灵敏度高、响应速度快、具有内部增益等 适用于长距

9、离、大容量的光纤通信系统适用于长距离、大容量的光纤通信系统 MSM光检测器光检测器 硅硅MSM检测器平板型器件结构如图所示，即在硅材料上直接淀积叉检测器平板型器件结构如图所示，即在硅材料上直接淀积叉 指状金属电极，金属电极与硅材料形成肖特基势垒接触指状金属电极，金属电极与硅材料形成肖特基势垒接触 当适当波长的光入射时，硅材料价带电子吸收光子能量而跃迁到导带当适当波长的光入射时，硅材料价带电子吸收光子能量而跃迁到导带 上去，在导带和价带之间产生光生的电子上去，在导带和价带之间产生光生的电子-空穴对空穴对 外加偏压下，光生的电子外加偏压下，光生的电子-空穴对在叉指电极之间电场作用下经过漂移空穴对在

10、叉指电极之间电场作用下经过漂移 或扩散等运动被叉指电极俘获，形成光生电流或扩散等运动被叉指电极俘获，形成光生电流 特点：与特点：与PIN和和APD光检测器相比，这种结构的光检测器相比，这种结构的 结电容小，所以带宽大结电容小，所以带宽大 另外它的制造也容易，但是这种器件的灵敏度低另外它的制造也容易，但是这种器件的灵敏度低 光晶体管光晶体管 光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用，只是它的集电极光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用，只是它的集电极 电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制 光晶体管是双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件光晶体管是双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件 光在这类器件的有源区内被吸收，产生光生载流子，通过内部电放大光在这类器件的有源区内被吸收，产生光生载流子，通过内部电放大 机构，产生光电流增益机构，产生光电流增益 特点：双极型光晶体管增益高，但响应速度不太快，常用于光探测器特点：双极型光晶体管增益高，但响应速度不太快，常用于光探测器 和光放大；场效应光晶体管响应速度快，但缺点是光敏面积小，增益和光放大；场效应光晶体管响应速度快，但缺点是光敏面积小，增益 小，常用作极高速光探测器小，常用作极高速光探