光检测器和光接收机

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1、第4章光检测器和光接收器★光检测器的工作原理★光检测器的特性参数★光接收机★光收发合一模块光电转换器件要求:高效率、低噪声、宽带原理：光吸收在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：R—光电检测器的响应度（A/W）入射光半导体光检测器光检测器的工作原理偏置电压外界的光子(也就是光)射入半导体，分离出电子和空穴，这些自由的载流子的流动形成电流，外部的电压(反向

2、偏压)会增强这种效果。PN光电二极管光检测器的工作原理光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现了光电流，从而在电阻R上有信号电压输出。这样就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。负偏压：P接负，N接正。由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗尽区的加宽可以改善光电检测器响应速度和转换效率）hν>Eg或λ

3、主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响光电二极管的响应速度。考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真光检测器的工作原理PN光电二极管响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。耗尽区的宽度载流子的平均漂移速度光检测器的工作原理解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的光能--PINPIN光

4、电二极管在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布光检测器的工作原理大部分光子在I区被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以取较小的值，因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。I区的宽度也不是越宽越好，宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越

5、大，故需综合考虑。由于不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同，带宽和使用的光波段范围不同。光检测器的工作原理PIN光电二极管InGaAsPIN光电二极管的结构双异质结结构：N区和P区：InP，对>920nm的光透明；I区:InGaAs；=1300~1600nm强烈吸收PIN光电二极管光检测器的工作原理雪崩光电二极管APDPIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)-----

6、---------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。光检测器的工作原理倍增系数M=IM/IPIM--平均输出电流，IP--一次光生电流IM＝MIP＝MRPin倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。光检测器的工作原理APD光电二极管在反向偏置电压过大时，会出现雪崩击穿。APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。雪崩光电二极管APD光检测器的比较参数符号单

7、位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700响应度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗电流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升时间rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5带宽BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置电压VBV55~105Si、Ge、InGaAspin光电二极管的通用工作特性参数光检测器的工作原理光检测器的比较参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20

8、~40050~20010~40暗电流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升时间rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益带宽积M•BGHz100~4002~1020~250偏置电压VBV150~40020~40