光电检测器件ppt课件.ppt

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1、光电检测器是光接收机的关键器件，主要完成光信号到电信号的转换功能，一般是通过PN结的光电效应实现。目前，常用的光电检测器件有：PIN-PD和APD。PIN-PD：主要用于短距离、小容量的光纤通信系统。APD：主要用于长距离、大容量的光纤通信系统。3.2光电检测器件光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机3.2.1光电二极管的工作原理1、PN结的光电效应当光子照到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收。如果电子吸收的能量足够大，超过了克

2、服脱离原子所需要的电离能和脱离物体表面所需的逸出功，电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。内光电效应：在光子的作用下，将材料内部电子从低能态提升到高能态，产生电子-空穴对的物理过程。（受激吸收）外光电效应：入射光子的能量相当大，以致于当光入射到光敏材料上时，入射光子会将光敏材料中的电子轰击出来，产生“光电发射”的现象。2、工作原理:光电二极管是利用PN结的光电效应实现光电转换。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)。3.2.2PIN光电二极管

3、一、PIN光电二极管的产生由于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。光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。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)，这种结构就是常用的PIN光电二极管。二、PIN光电二

4、极管的结构和原理中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，几乎占据整个耗尽层，两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，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，光生电流中漂移分量占支配地位，从而大幅度提高了光电转换效率和响应速度。三、PIN光电二极管的主要特性1、波长响应（光谱特性）（1）上截止波长入射光的波长必须小于某个临界值，才能发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为：式中，第一个的单位是焦耳，第二个的单位是电子伏特（eV）。（2）响应波长的下限光电二极管

5、除了有上截止波长，还有下限波长。这是因为当入射光波长太短时，光子的吸收系数很强（图），使大量入射光在PN结的表面层（零电场的中性区）被吸收，使光电转换效率大大下降，所以波长响应存在一个范围。2、光电转换效率工程上常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。（1）响应度在一定波长的光照射下，光电检测器的光生电流IP与入射光功率PO之比称为响应度，可以表示如下：IP为光电检测器的光生电流值（单位：）P0为入射光功率值（单位：）光电检测器的响应度一般在0.3～0.7A/W范围（2）量子效率入射光束在光电二极管的表面有一定的反射，设入射表面的反射率为r，在零电场区的表面

6、层里产生的“电子—空穴”对不能有效的转换成光电流，因此，当入射光功率为Po时，光生电流可以表示为：w1是零电场区表面层的厚度，w是耗尽区的厚度，是材料吸收系数。光电二极管的量子效率表示入射光子能够转化成光电流的概率，是光生“电子—空穴”对和入射光子数的比值，即：提高量子效率的措施：ａ、减小r；ｂ、减小w1和增加w响应度和量子效率的关系几种材料制作的光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系图。Si适用于波段，Ge和InGaAs适用于波段。3、响应速度响应速度是指光电检测器的光电转换速度，一般用响应时间来描述，即从器件接收到光子时起到能够有光生电流输出的这段时间

7、。响应时间越短，响应速度越快。影响响应速度的主要因素：结电容和负载电阻的电路时间常数RC耗尽区中的光生载流子的漂移时间P+区和N+区中（零场区）的光生载流子的扩散时间结电容和负载电阻的RC时间常数hvCd输出RsRLRACAAhv输出RLAUCC光电二极管可以等效为一个电流源，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。一般情况，Rs很小，可以忽略；结电容与耗尽区的宽度w及结区面积A有关，即：式中：ε为材料的介电常数。要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容（

8、增加耗尽区的宽度）。载流子在耗尽区里的渡越时间在耗尽