第六章-光检测器

第六章光检测器光电检测器的要求-能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换常用的半导体光电检测器：光电二极管和雪崩光电二极管-足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流-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、较长的工作寿命等光电二极管物理原理及其参数雪崩倍增管的原理及其参数光电检测器的噪声分析光电检测器的带宽主要内容6.1光电二极管的物理原理光电二极管实际上是一个加了反向偏压的pn结n型p型耗尽层耗尽层当反向偏压足够大时耗尽区本征载流子被完全耗尽pn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)及耗尽区附近引起受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。耗尽区受到光的照射pnhv产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，被电极收集产生电流载流子的收集pnE光生电流Ipin光电二极管的工作原理1.pn结加一个高的反向偏压2.pn结耗尽区受到光的照射产生光生载流子3.在外部偏压的作用下，光生载流子定向漂移产生光生电流外加反向偏压抽取光能量的过程pin光电二极管的结构加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层高掺杂p+型高掺杂n+型i(本征)层：低掺杂n型耗尽区电载流子在扩散过程中：电子和空穴的扩散长度2/1nnnDL2/1pppDLDn扩散系数，n电子寿命Dp扩散系数，p空穴寿命电子扩散长度空穴扩散长度电子-空穴对会重新复合而消失载流子处在较高的能态L载流子寿命过短-载流子无法到达电极变成光生电流P(x)x耗尽区)1()()(0xsePxP在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：其中s()为材料对波长的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是光在耗尽区中经过距离x后被吸收的功率pin的光吸收不同材料吸收系数s()与波长的关系截止波长c由其带隙能量Eg决定：c=hc/Eg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1入射截止hv入射不足以激励出电子(2)入射截止材料对光子开始吸收(3)入射截止材料吸收强烈(s很大)所激发的载流子寿命短(粒子的能级越高越不稳定)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大于869nm的系统中。nm869)/106.1(43.1/10310625.619834eVJeVsmsJEhcgc例如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：)1(winsePwPhvqeRPIwfinps)1)(1(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：量子效率只与波长有关，而与Pin无关)1)(1(//wfinpseRhvPqI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。%90106104.566例hvqeRPIwfinps)1)(1()A/W(hvqPIinp光电二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：μA5.6)μW10()A/W65.0(inpPIpin的响应度响应度vs.波长hcqPIinp给定波长R为常数造成原因：高能量载流子寿命过短光子能量变小不容易激发出载流子如上图所示，波长范围为1300nm-1600nm，InGaAs的量子效率大约为90%，因此响应度为：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。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5834191025.7m/s103sJ10625.6C106.190.0hcqhvqA/W942.0m1030.1/mA/W1025.765光电二极管物理原理及其参数雪崩倍增管的原理及其参数光电检测器的噪声分析光电检测器的带宽主要内容雪崩二极管(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：增加偏压，使耗尽区正好拉通到整个本征p区，以增加高阻材料带有少量p掺杂的本征材料p+ppn+结构w雪崩二极管(APD)照片光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：nBpMVVIIM/11IM：雪崩增益后输出电流的平均值Ip：未倍增时的初级光电流V：反向偏压VB：二极管击穿电压n：常数，一般为2.5~7类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：倍增因子和响应度MMhvqAPDpin一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65%，假定0.5mW的光功率产生的倍增电流为10mA，试求倍增因子M。初级光电流为：AWsmsJmCPhcqhvqPPIinininpm235.0105/10310625.6)109)(106.1(65.0783471943235.010AAIIMpMmm倍增因子M为：例光电二极管物理原理及其参数雪崩倍增管的原理及其参数光电检测器的噪声分析光电检测器的带宽主要内容6.2光检测器噪声输出端光信噪比：S/N=光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)为了得到较高的信噪比：1.光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率2.使光检测器和放大器噪声尽可能的低噪声来源hv(雪雪)雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪雪hv雪雪雪雪雪RL)()()(tiItPhvqtipDCph)(22,2tiippinss信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初级光电流为：对于pin，均方信号电流为：222,2)(MtiipAPDss对于APD，均方信号电流为：信号部分：光生电流信号)(2222MFBMqIiPQQ光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有随机性，从而带来量子噪声。对于接收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流由下式决定：其中F(M)Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。噪声部分：量子噪声pinAPDMFBMqIiDDBDB2222BqIiLDSDS222暗电流是指，没有光入射时流过检测器偏置电路的电流，它是体暗电流iDB和表面暗电流iDS之和。iDB来自于检测器的pn结内因为热运动而产生的电子空穴。对于APD，iDB为：表面暗电流由表面结构(缺陷、清洁程度、面积大小)和偏置电压决定：噪声部分：暗电流噪声会被雪崩区放大不会被雪崩区放大xMMF因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1之间变化，x对于SiAPD为0.3，对InGaAsAPD为0.7，对GeAPD为1.0。噪声部分：雪崩倍增噪声APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪声。这里定义F为过剩噪声因子，它近似等于：光检测器的总均方噪声电流为：BqIBMFMIIqiiiiLDPDSDBQDSDBQNN2)(2222222222检测器的负载热噪声由RL的热噪声决定：BRTkiLBTT422总噪声其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。InGaAs光电二极管在波长为1300nm时有如下参数：初级体暗电流ID=4nA，负载电阻RL=1000W，量子效率=0.90，表面暗电流可以忽略，入射光功率为300nW(-35dBm)，接收机带宽为20MHz，计算接收机的各种噪声。AWsmsJmCPhcqPhvqPIinininpm282.0103/10310625.6103.1106.190.07834619首先计算初级光电流：量子噪声均方根电流：218661921080.1)1020)(10282.0)(106.1(22AHzACBqIipQ例220691921056.2)1020)(104)(106.1(22AHzACBqIiDDB光检测器暗电流：负载均方热噪声电流为：21862321032310201)293)(/1038.1(44AHzkKKJBRTkiLBTW例(续)LBLDppRTBkBqIBMFMIIqMiNS/42)()(2222小结：对于pin，主要噪声来自检测器电路中的电阻和有源器件对于APD，电路噪声不占重要地位，主要噪声来源于检测器被雪崩区放大了的量子噪声和体暗电流信噪比光电二极管物理原理及其参数雪崩倍增管的原理及其参数光电检测器的噪声分析光电检测器的带宽主要内容6.3检测器响应时间光电二极管的响应时间是指它的光电转换速度。影响响应时间的主要因素：1耗尽区的光载流子的渡越时间2耗尽区外产生的光载流子的扩散时间3光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数s、等效电容、等效电阻等ddvwt载流子漂移速度耗尽区宽度在耗尽区高电场加速的情况下，光生载流子可达极限速度例如：耗尽层为10mm的Si光电二极管电场强度：20000V/cm电子最大速度：8.4x106cm/s空穴最大速度：4.4x106cm/s光载流子渡越时间耗尽区内产生的光生载流子光载流子扩散时间耗尽区外产生的光生载流子p区或n区产生的载流子向耗尽区扩散在耗尽区内快速漂移到电极存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间解决办法：尽量扩大耗尽层宽度扩散速度漂移速度当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间r和下降f时间来表示。在理想情况下r=f，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度远小于漂移速度，使得r≠f，造成脉冲不对称。上升时间和下降时间光电二极管脉冲响应1.为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w必须大于1/s，以便可以吸收大部分的光2.同时如果w较大，会让二极管结电容C变小，于是RLC常数变小，从而得到较快的响应3.但是过大的w会导致渡越时间的增大：td=w/vd折衷取值范围：1/sw2/s带宽设RT是检测器电路电阻，CT是光电二极管结电容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个RC低通滤波器，其带宽为：TTCRBp21例：如果光电二极管的电容为3PF，放大器电容为4PF，负载电阻为1K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT=7PF，RT=1K欧姆，所以电路带宽：如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455MHz。)(2321MHzCRBTTp6.4InGaAsAPD结构金属电极InP倍增层InGaAs吸收层InP缓冲层InP衬底光输入一种广泛应用的吸收和倍增分离的结构特点：工作波长在1100~1700mm高量子效率低暗电流高雪崩增益6.5温度对雪崩增益的影响温度降低，电离速度变快，APD增益会增加。为保证温度变化时增益不变，需要增加一个补偿电路，根据温度