光检测器介绍PIN、APD详细讲解

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1、光检测器介绍光电二极管的物理原理光检测器噪声检测器响应时间雪崩倍增噪声InGaAsAPD结构温度对雪崩增益的影响主要内容光电检测器的要求光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是：-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；-具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；-具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；-具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；-具有较小的体积、较长的工作寿命等。目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管和APD雪崩光电二极管

2、。光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区(高场区)及耗尽区附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴对在外部电场作用下定向移动产生电流。6.1光电二极管的物理原理只有少数载流子在电场作用下漂移多数载流子的扩散行为被反向电场抑制由于常态下少数载流子含量很少，因此漂移行为非常微弱pin光电二极管的结构pin光电二极管是在掺杂浓度很高的p型、n型半导体之间加一层轻掺杂的n型材料，称为i(本征)层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层。耗尽

3、区pin光电二极管的工作原理+-1.能量大于或等于带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子空穴对(光生载流子)。2.耗尽区的高电场使得电子空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后它们在边界处被吸收，从而在外电路中形成光电流。当电载流子在材料中流动时，一些电子-空穴对会重新复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp，这个距离即扩散长度，分别由下式决定：Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp为电子和空穴重新复合所需的时间，称为载流子寿命。在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：其中as(l)为材料

4、在波长l处的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是通过距离x后所吸收的光功率。电子和空穴的扩散长度as(l)增加P(x)x不同材料吸收系数与波长的关系材料的截止波长lc由其带隙能量Eg决定：若波长比截止波长更长，则光子能量不足以激励出一个光子。此图还说明，同一个材料对短波长的吸收很强烈(as大)。而且短波长激发的载流子寿命较短，因为粒子的能级越高，越不稳定。光吸收系数(cm-1)光穿透深度(mm)光子能量增大方向特定的材料只能用于某个截止波长范围内有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300k时其带隙能量为1.43eV，其截止波长为：因此，检测器不能用于波长范围

5、大于869nm的系统中。例如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射光子数之比：pin的量子效率有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6×106个，平均产生了5.4×106个电子空隙对，则其量子效率可以等于：在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就越慢。因此二者构成一对折衷。例光电二

6、极管的性能常使用响应度来表征：例：能量为1.53x10-19J的光子入射到光电二极管上，此二极管的响应度为0.65A/W，如果入射光功率为10mW，则产生的光电流为：pin的响应度响应度、量子效率vs.波长0.650.450.91.0给定波长，h与Pin无关给定波长，R为常数造成原因：1)材料对短波长吸收强烈；2)高能量载流子寿命短由光子能量不足造成如上图所示，波长范围为1300nm-1600nm，InGaAs的量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：当波长为1300nm时：当波长大于1600nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例如In0.53Ga0.47A

7、s的带隙能量为Eg=0.73eV，故截止波长为：当波长<1100nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收，所产生的电子空隙对的复合寿命很短，很多载流子并没有产生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。例雪崩二极管(APD)设计动机：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于显著提高接收机灵敏度耗尽区高阻材料工作过程拉通型雪崩二极管(RAPD)“拉通”来源于其工作情况，当施加一个较低的反向电压时，大部分电压降在pn+结上。当电压增加时，耗尽区宽度增加，直到pn+结上的电压低于雪崩击穿电压5%~10%时才停止，此时耗尽区正好拉