3.2半导体光检测器原理3版教程

2024/8/1613.2半导体光检测器

光接收机是光纤通信系统的重要组成部分；

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。

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图5.1光接收机组成框图

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：2024/8/163（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，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，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:2024/8/164PIN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2024/8/1651、光电二极管的结构和功能

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：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(PD)工作原理2024/8/166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2024/8/167

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；中性层耗尽层2024/8/168当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)，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分量的总和即为光生电流。2024/8/1692024/8/1610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PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-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管(PD)。

2024/8/1611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。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

λc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,λc=1.06μm;以Ge为材料的光电二极管，λc=1.60μm。光检测器工作过程2024/8/16123、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,结构简单，但响应速度慢，器件的稳定度较差。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。2024/8/16131、采用PIN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光电二极管的结构和工作原理

见图3.20和图3.21。

3.2.2PIN光电二极管2024/8/1614图3.21PIN光电二极管结构及光强分布

中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(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：2024/8/1615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。2024/8/1616

3、PIN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。

光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。

量子效率η：为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值

η=光电转换产生的有效电子—空穴对数入射光子数2024/8/1617响应度：为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值

ρ=IP/P0=

ηe/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。2024/8/1618图3-22PIN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0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs适用于1.3~1.6μm波段。响应度一般为0.5~0.7(A/W)。

量子效率的光谱特性：取决于半导体材料的吸收光谱2024/8/1619

(2)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τ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τr和脉冲下降时间τf。当光电二极管具有单一时间常数τ0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脉冲响应时间

τ=τr=τf=2.2τ0(3.16)

2024/8/1620

对于幅度一定，频率为ω=2πf的正弦调制信号，用光生电流I(ω)下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数τ0时，

(3.17)

脉冲上升时间τrPIN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τd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ω与渡越时间τd的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率η(ω)的贡献可以表示为(3.18）2024/8/1621图3.23内量子效率和带宽的关系wfcηwη渡越时间τd

fcηfc相等时，λη2024/8/1622耗尽区外产生的载流子扩散引起延迟：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。2024/8/1623

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，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。图5.5为检测器电路及其等效电路。2024/8/1624

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。2024/8/1625

(3)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(ShotNoise)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电流(在1Ω负载上消耗的噪声功率)来描述。

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。2024/8/1626

式(3.21)第一项2eIPB称为量子噪声，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，Id<1nA，GePIN

，Id>100nA。2024/8/1627式中，k=1.38×10-23J/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+〈i2T〉=(3.23)均方热噪声电流:2024/8/1628

图3.24光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系

反向偏压U光电流暗电流输出光电流I00UB

3.2.3雪崩光电二极管(APD)1、APD的设计依据

UB为击穿电压2024/8/16292、APD的工作原理及结构根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/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)。2024/8/16301.雪崩光电二极管光电转换原理2024/8/1631

图3.25APD载流子雪崩式倍增示意图

雪崩效应2024/8/1632

APD的结构有多种类型，如图3.26示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。图3.26APD结构图2024/8/1633在这种类型的结构中，当偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到Π(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。2024/8/16343、APD的主要性质1）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。2024/8/1635

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

2024/8/1636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〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，