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1、1,3.2 光检测器,3.2.1 光电二极管工作原理3.2.2 PIN 光电二极管3.2.3 雪崩光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管一般性能和应用,2,3.2 光检测器,3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导体PN结的光电效应实现的。,3,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,当反向偏压足够大时耗尽区自由载流子被完全耗尽,4,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,p,n,hv,5,产生的电子空穴对在外部电场作用下定向
2、移动，被电极收集产生电流,载流子的收集,p,n,E,光生电流 I,6,电载流子在移动的过程中：,电子和空穴的扩散长度,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,7,光电二极管的工作原理,1. pn结加一个较高的反向偏压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,由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PN Photodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很
3、慢。,8,3.2.2 PIN 光电二极管,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。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)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。,9,10,PIN光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用(N)表示；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， 吸收系数很小，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，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比
4、例很小，I层几乎占据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。,11,12,图3. 21 PIN光电二极管结构,13,式中， hf 为光子能量， e为电子电荷。,(3.13),(3.14),PIN光电二极管具有如下主要特性：qq (一) 量子效率和光谱特性。 光电转换效率用量子效率或响应度表示。量子效率的定义为一次光生电子 -空穴对和入射光子数的比值,响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值,14,（1）量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。 假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡
5、献可以忽略， 在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率可以近似表示为式中，()和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可以看到，当()w1时，1，所以为提高量子效率，I层的厚度w要足够大。,(3.15),15,有一个InGaAs光电二极管，在100ns内共入射了波长为1300 nm的光子6106 个，产生了 5.4106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：实际检测器的量子效率一般在30%-95%之间。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的响应速度会变慢。因此二者构成一对折衷。,例,16,光电二极管的性能常使用响应
6、度 来表征：,例：能量为1.53 10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光电流为：,pin的响应度,在1550 nm处典型响应度为0.7 A/W,17,（2） 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c= hc /Eg。图3.22示出量子效率和响应度的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6 (A/W)。,18,图3-22 PIN光电二极管响应度、 量子效应率 与波长 的关系,19,不同材料
7、吸收系数as(l)与波长的关系,截止波长lc由其带隙能量Eg决定： lc = hc / Eg,(1) l入射 l截止hv入射不足以激励出电子,(2) l入射 l截止材料对光子开始吸收,(3) l入射 l截止材料吸收强烈 (as很大)光的透射力变得很弱,20,例6.1 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：,特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内，其上限截止波长为：,因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中,21,一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的极限速度。例如：耗尽层为10 mm的Si光电二极管电场强度：2
8、0000 V/cm电子最大速度：8.4 x 106 cm/s空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s极限响应时间：0.1 ns,(二) 响应时间和频率特性。,耗尽区内产生的光生载流子,22,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,23,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tr和下降tf 时间来表示。在理想情况下tr = tf，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trtf，造成脉冲不对称。
9、,上升时间和下降时间,图6.11 10%90%上升时间和下降时间,24,光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数0(0=RC)时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间=r=f=2.20 (3.16),25,对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一
10、时间常数0时，,（3.17）,PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。,26,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须远大于1/as吸收系数 ， 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/as w 2/as (63% h 86.6%),当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时， 耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为,(3.18), 由()/(0)=
11、 得到由渡越时间d限制的截止频率,（3.19）,式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度， 比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间d，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率。,28,图3.23 内量子效率和带宽的关系,29,由电路RC时间常数限制的截止频率,式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。,式中，为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。,(3.20),(3.21),检测器可以近似为一个RC低通滤波器，其带宽为,例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大
12、器电容为4 PF，负载电阻为1 K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT = 7 PF，RT =1 K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455 MHz。,30,(三) 噪声。噪声影响光接收机的灵敏度。噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生) 热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（ 1 ）均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。 2eIPB 称为量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生) 2eIdB是暗电流产生的噪声。 暗
13、电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。,31,（1）均方热噪声电流,式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。 因此， 光电二极管的总均方噪声电流为,32,3.2.3 雪崩光电二极管(APD),光电二极管输出电流 I和反偏压U的关系示于图3.24。 随着反向偏压的增加，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。 根据光电效应，当光入射到PN结时， 光子被吸收而产生电子 - 空穴对。,33,图 3.
14、24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系,34,如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)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。 新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。,35,图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）,36,37,38,APD的响应度比PIN增加了g倍。,U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。 当UUB时，RIo/UB1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中， x为附加噪声指数。 同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x (3.27)附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。 当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。,
