32光电检测器件

第3章通信用光器件•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光电检测器件第3章通信用光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。光接收机第3章通信用光器件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”第3章通信用光器件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)。第3章通信用光器件3.2.2PIN光电二极管一、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。第3章通信用光器件二、PIN光电二极管的结构和原理抗反射膜光电极(n)P＋N＋E电极中间的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。第3章通信用光器件三、PIN1、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）。1.24cgghcEE第3章通信用光器件0.4波长/m105GeGaAsSi吸收系数(cm－1)In0.70Ga0.30As0.64P0.36In0.53Ga0.47As1041031021010.60.81.01.21.41.61.8（2）响应波长的下限光电二极管除了有上截止波长，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。第3章通信用光器件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：00PIRP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Aw第3章通信用光器件（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10(1)(1)wwPeIrPeehf10/(1)(1)/wwPIereePhf第3章通信用光器件0.80.9mm1.31.6mm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。6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波长()R响应度量子效率第3章通信用光器件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。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第3章通信用光器件•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：dACw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（增加耗尽区的宽度）。第3章通信用光器件•载流子在耗尽区里的渡越时间在耗尽区里产生的电子-空穴对在电场的作用下进行漂移运动，漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电场强度达到某一值Es（约为106V/m）后，漂移速度不再变化，达到极限漂移速度。若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏压必须满足：。由于漂移运动的速度远大于扩散运动的速度，所以漂移运动的渡越时间不是影响PIN响应速度的主要因素。swVE第3章通信用光器件•耗尽区外零场区的载流子由于扩散产生的时间延迟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，从而影响响应速度。tt光脉冲检波输出结论：尽量减少中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，不仅可以提高PIN的光电转换效率，而且可以加快响应速度。第3章通信用光器件4、暗电流理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、放射性物质的激励等，在无光照的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。第3章通信用光器件例题：一个PIN光电二极管，它的P+接触层是1厚。假设仅在耗尽区里吸收的光子才能有效地转换成光电流，当波长为0.9时，吸收系数，忽略反射损耗，求：（1）此光电二极管的最大量子效率；（2）使量子效率达到80%，耗尽区的最小宽度应为多少？mm41510mmaxminw第3章通信用光器件3.2.3雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流I和反偏压U的关系。光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系·´ÏòƫѹU¹âµçÁ÷暗电流Êä³ö¹âµçÁ÷I00UB开始光电流基本保持不变，当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件，在结构设计上考虑了使之能承受高反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区。第3章通信用光器件光生的电子或空穴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（二次电子-空穴对）。新产生的二次电子和空穴在高电场中加速，再次和原子碰撞，产生连锁反应。多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。APD(只画出电子）＋－I0NPP(N)光第3章通信用光器件APD的结构:光纤通信在0.85波段常用的APD有：保护环型(GAPD)和拉通（通达）型(RAPD)。第3章通信用光器件保护环型(GAPD)保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。特点：高灵敏度，但它的雪崩增益随偏压变化的非线性十分突出。要想获得足够的增益，必须在接近击穿电压下使用，而击穿电压对温度很敏感，当温度变化时，雪崩增益也随之发生较大变化。第3章通信用光器件拉通（通达）型(RAPD)RAPD的结构示意图和电场分布如图。（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。优点：高效、快速、低噪声。第3章通信用光器件SAM:在长波长波段使用的APD结构为SAM（SeperatedAbsorptionandMultiplexing）结构。这是一种异质结构，高场区由InP材料构成，吸收区用InGaAs材料构成。若光信号从P区入射，将透明的经过高场区，在InGaAs材料构成的耗尽区里被充分吸收，从而形成吸收区和倍增区分开的结构。在耗尽区形成的电子向N区运动，空穴向P区运动，形成纯空穴电流注入高场区的情况，不仅使APD获得较高的增益，而且可以减少过剩噪声。第3章通信用光器件APD的工作特性：APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性。1、倍增因子APD的倍增因子实际上是电流增益系数，定义为：有倍增时光电流的平均值与无倍增时光电流的平均值之比，可用米勒公式表示如下：nBPPgVRIVIIG)(11式中，G为光电倍增因子；Ig是有倍增时的电流值；Ip是无倍增时的电流值；V是外加负偏压；R是APD的内阻；VB是击穿电压；n是雪崩电压指数（它与半导体材料、掺杂浓度分布和入射光波长有关。一般取1～3）第3章通信用光器件•当（V-IPR）→VB时，G有最大值，即：•可见要获得较大的G值，可以减小Ip和R值或增大击穿电压。•一般APD的倍增因子G在40～100之间。•PIN光电二极管没有雪崩增益作用，所以G=1。RnIVGPB第3章通信用光器件2、倍增噪声•无倍增的散粒噪声由入射到光电检测器光敏面上的光子产生电子-空穴对的随机性和离散性引起的噪声。（PIN-PD）•APD的雪崩倍增噪声原因：（1）入射的光子产生光生载流子的随机性；（2）每次光生电子-空穴对产生二次光生电子-空穴对的随机性。倍增噪声可用过剩噪声系数F（G）描述。第3章通信用光器件•定义APD的过剩噪声系数为：符号表示平均值，随机变量g是每个初始的“电子-空穴”对生成的二次“电子-空穴”对的随机数，G是平均雪崩增益，。•在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数x来表示过剩噪声系数，即：•x值与APD的材料和结构有关。对于Si-APD，x值在0.3～0.5之间；对于Ge-APD，x值在0.8～1.0之间；对于InGaAsP-APD，x值在0.5～0.7之间。•由于倍增噪声系数F（G）表示APD因倍增作用而增加的噪声系数，所以选APD时，x的值越小越好。2222()ggFGGg()xFGGGg第3章通信用光器件3.2.3光电二极管一般性能和应用PIN二极管特点：结构简单，可靠性高;电压低，使用方便量子效率高噪声小带宽较高􀂓APD二极管特点：􀂓灵敏度高􀂓高增益􀂓高电压，结构复杂􀂓噪声大第3章通信用光器件第3章通信用光器件第3章通信用光器件光检测器的比较（1）参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700响应度RA/W0.4~