《光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第6章 光电效应及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第6章 光电效应及应用（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光子学与光电子学 原荣 邱琪,1,第6章 光电效应及应用,光电效应是半导体晶体材料吸收入射光子的能量后，产生电子的效应，这种现象最早是由德国物理学家赫兹在1887年研究电磁波的性质时偶然发现的，但当时人们用经典电磁理论无法对实验中得到的结果做出合理的解释。 直到1905年，爱因斯坦用光量子的概念，从理论上才成功地解释了光电效应现象，因此爱因斯坦1912年获得了诺贝尔物理学奖。 光电效应的主要应用是光探测器和光伏电池等。光探测器是吸收入射光子能量后把光信号转变为电信号，产生光生电流；而光伏电池是将太阳能转换为电能。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,2,第6章 光电效应及应用,6.1 光探测概述 6
2、.2 光探测器 6.3 光伏电池,光子学与光电子学 原荣 邱琪,3,6.1.1 光探测原理,如果把光子能量大于hv的光波照射到占据低能带的电子上，则电子吸收该能量后被激励跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后，就可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流，如图6.1.1（b）所示，这就是光探测器件。 在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴对，在电场的作用下，在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,4,假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个
3、电子空穴对，发生受激吸收。,光探测原理-受激吸收,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5,在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。,图6.1.2a PN结光检测原理说明,光子学与光电子学 原荣 邱琪,6,6.1.2 响应度和量子效率,光子学与光电子学 原荣 邱琪,7,6.1.3 响应带宽,光子学与光电子学 原荣 邱琪,8,光敏二极管响应带宽定义,光子
4、学与光电子学 原荣 邱琪,9,受RC时间常数限制的带宽,光子学与光电子学 原荣 邱琪,10,上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的 10 % 到 90 % 所需的时间。,上升时间定义,光子学与光电子学 原荣 邱琪,11,6.2 光探测器,6.2.1 PIN光敏二极管 6.2.2 雪崩光敏二极管 6.2.3 单行载流子光敏探测器 6.2.4 波导探测器（WD-PD） 6.2.5 行波探测器（TW-PD） 6.2.6 肖特基结光敏探测器 6.2.7 紫外光探测器 6.2.8 光敏晶体管 6.2.9 光敏二极管负载线及前置放大器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,12,光探测器,光子学
5、与光电子学 原荣 邱琪,13,一种43Gb/s DQPSK双平衡接收机,光子学与光电子学 原荣 邱琪,14,6.2.1 PIN光敏二极管 1. 工作原理,简单的 PN 结光敏二极管具有两个主要的缺点。 首先，它的结电容或耗尽区电容较大，RC 时间常数较大，不利于高频调制。 其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽度 W 还大，所以大多数光子没有被耗尽层吸收，因此长波长的量子效率很低。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,15,为了克服 PN 管存在的问题，人们采用 PIN 光敏二极管 PIN 二极管与 PN 二极管的主要区别是，在 P 和 N 层之间加入了一个 I 层，作
6、为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有5 50 m，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。,图6.2.1 PIN光敏二极管,光子学与光电子学 原荣 邱琪,16,PIN光敏二极管的响应时间,光子学与光电子学 原荣 邱琪,17,2. 光敏二极管的响应波长,光子学与光电子学 原荣 邱琪,18,图6.2.2(a) PIN光敏二极管的波长响应曲线,光子学与光电子学 原荣 邱琪,19,图6.2.2（b） APD 波长响应曲线,光子学与光电子学 原荣 邱琪,20,半导体材料的吸收系数和穿透深度,波长比截止波长短的入射光子，当它们在半导体内传输时被吸收，所以与光子数成正比的光强在半导体内随距离的增加按指数式衰减。光强
7、I与从半导体表面开始的距离x的关系是 （6.2.4） 式中，I0是入射光的强度，是吸收系数，它是材料的特性，与光子能量和波长有关。63 %的光子吸收发生在距离1/内，所有称1/为穿透厚度或吸收深度。图6.3.7表示各种半导体材料吸收系数与波长的关系，图中也表示出各种典型半导体材料的截止波长。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,21,图6.3.7 半导体材料吸收系数 与波长的关系,光子学与光电子学 原荣 邱琪,22,光敏二极管上截止波长和下截止波长,当入射光波长太短时，光敏转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数，如图6.3.7所示。当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，
8、结果使大量的入射光子在光敏二极管的表面层就被吸收。而反向偏压主要是加在PN结的耗尽层里，光敏二极管的表面层里往往存在着一个零电场区域，如图6.3.5所示。在零电场区域里产生的电子-空穴对不能有效地转换成光电流，从而使光电转换效率降低。 因此，用不同种类材料制作的光敏二极管对光波长的响应也不同。Si光敏二极管的波长响应范围为0.61.0 m，适用于短波长波段；Ge和InGaAs光敏二极管的波长响应范围为1.11.6 m，适应于长波长波段，各种光敏探测器的波长响应曲线如图6.2.2所示。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,23,图6.2.3 光在不同种类半导体 材料带隙中的吸收,在直接带隙半导体中，吸
9、收光子能量hv后，只要Eg hv ，电子从价带上就直接激发到导带上。 但在间接带隙半导体中，由于价带的峰值能量与导带的低谷能量并不像图6.2.3（a）表示的直接带隙半导体材料那样直接对应，所以电子从价带峰值点跃迁到导带的低谷点所需的光子能量hv大于Eg，其能量差要有声子能量h 来填充，即hv = Eg h。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,24,PIN光敏二极管的性能参数,量子效率 响应度 R 暗电流, 表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比; 响应速度, 它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示; 结电容 (pF), 它影响响应速度。,光子学与光电子学 原荣 邱琪
10、,25,6.2.2 雪崩光敏二极管,雪崩光敏二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。 APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益 工作速度高 已广泛应用于光通信系统中,光子学与光电子学 原荣 邱琪,26,与光敏二极管不同，APD的光敏面是N+区，紧接着是掺杂浓度逐渐加大的三个P区，分别标记为P、和P+，如图6.2.4（a）所示。APD的这种结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，如图6.2.4（c）所示。,APD结构,光子学与光电子学 原荣 邱琪,27,图6.2.5 APD雪崩倍
11、增原理图,光生的电子空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对，称为二次电子空穴对。 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,28,2. 平均雪崩增益,光子学与光电子学 原荣 邱琪,29,光电混装模块照片,光子学与光电子学 原荣 邱琪,30,6.2.3 单行载流子光敏探测器,在PIN光敏二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种
12、载流子。在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。 为此，设计了一种新结构的单行载流子光敏探测器（UTC-PD）。在这种结构中，只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,31,图6.2.6 电子载流子光敏探测器（UTC
13、-PD）,（a）PIN能带结构图 （ b）UTC-PD能带结构图 由于外加电压的作用，在收集层产生强电场，有利于光生电子从吸收层向收集层的运动。在收集层，光电流完全由从吸收层漂移扩散过来的电子产生。在吸收层，电子由于扩散阻挡层（势垒层）的阻挡，只有极少数电子越过势垒层，而空穴不能扩散形成光生电流。因此称这种探测器为单行光敏探测器。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,32,6.2.4 波导光敏探测器（WG-PD）,按光的入射方式，探测器可以分为: 面入射光敏探测器 (a) , 如一般的PIN, 响应速度慢； 边耦合光敏探测器 (c) ，如UTC-PD/TW-PD, 效应速度快。,光子学与光电子学 原
14、荣 邱琪,33,100 GHz 波导光敏探测器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,34,在面入射光探测器中，光从正面或背面入射到探测器的光吸收层中，产生电子空穴对，并激发价带电子跃迁到导带，产生光电流，如图6.2.7(a)和(b)。 所以，在面入射光探测器中，光行进方向与载流子的渡越方向平行，如一般的PIN探测器。,PIN的响应速度受到PN结RC数值、I 吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。 最高光响应速率小于20 Gb/s。 为此提出了高速光探测器解决方案边耦合光探测器。,面入射光探测器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,35,在（侧）边耦合光探测器中，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直； 很好地
15、解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。,边耦合探测器比面入射探测器可以获得更高的3 dB响应带宽。 边耦合探测器分： 波导型探测器（WG-PD） 行波型探测器（TW-PD ）。,边入射光探测器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,36,波导探测器 (WD-PD),波导探测器正好解除了PIN探测器的内量子效率和响应速度之间的制约关系; 极大地改善了其性能，在一定程度上满足了光通信对高性能探测器的要求,面入射光探测器的固有弱点是量子效率和响应速度相互制约； 一方面可以采用减小其结面积来提高它的响应速度，但是这会降低器件的耦合效率。 另一方面也可以采用减小本征层（吸收层）的厚度来提高器件的响
16、应速度。但是这会减小光吸收长度，降低内量子效率，因此这些参数需折衷考虑。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,37,波导探测器,光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了对光信号的探测。,WG-PD的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光探测器。WG-PD的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10 m，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为1 m。所以WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构PD的。 另外，WG-PD还很容易与其他器件集成。 但是，和面入射探测器相比，WD-PD的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。可采用斜边入射分支波导结构克服。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,38,分支波导探测器(Tapered WG-PD),光进入折射率为n1的单模波导
