光探測器概述

1、 光電探測器 位于光接收機(jī)的最前端位于光接收機(jī)的最前端 作用是將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)作用是將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 工作原理是基于光電效應(yīng)工作原理是基于光電效應(yīng) 光電效應(yīng) 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體 表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光的作用下，材料電導(dǎo)率發(fā)生變化在光的作用下，材料電導(dǎo)率發(fā)生變化 在光的作用下，材料產(chǎn)生光生電動(dòng)勢在光的作用下，材料產(chǎn)生光生電動(dòng)勢 光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管 光

2、導(dǎo)管、光敏電阻光導(dǎo)管、光敏電阻 光電池、光電二（三）極管光電池、光電二（三）極管 光探測器工作原理 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)加上反偏電壓時(shí)，外加電場與內(nèi)建電場方向一結(jié)加上反偏電壓時(shí)，外加電場與內(nèi)建電場方向一 致，外電場使勢壘增強(qiáng)、耗盡層加寬致，外電場使勢壘增強(qiáng)、耗盡層加寬 當(dāng)光入射到當(dāng)光入射到PN結(jié)上時(shí)，結(jié)上時(shí)， 光子能量滿足光子能量滿足 h Eg 價(jià)帶上的電子吸收光子價(jià)帶上的電子吸收光子 躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一個(gè)躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一個(gè) 電子電子空穴對(duì)空穴對(duì) 耗盡區(qū)中產(chǎn)生的電子耗盡區(qū)中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在電場的作用下，電空穴對(duì)在電場的作用下，電 子向子向N區(qū)漂移，空穴向區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，從而形成光電流區(qū)漂移，

3、從而形成光電流 入射光功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從入射光功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從 而把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)而把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào) 由光電效應(yīng)可知，對(duì)任何一種材料制成的探測器而由光電效應(yīng)可知，對(duì)任何一種材料制成的探測器而 言都有截止波長，定義為：言都有截止波長，定義為： g gg hc1.24 EE 光電探測器的性能參數(shù) 暗電流暗電流 在無光照時(shí)，由于熱激勵(lì)等一些因素，使得光探測器仍有電流輸出，在無光照時(shí)，由于熱激勵(lì)等一些因素，使得光探測器仍有電流輸出， 這種電流稱之為暗電流這種電流稱之為暗電流 響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度定義為在一定波長的光照射下，光電探測器的平

4、均輸出電流與響應(yīng)度定義為在一定波長的光照射下，光電探測器的平均輸出電流與 入射的光功率之比：入射的光功率之比： 量子效率定義為量子效率定義為： 響應(yīng)度與量子效率的關(guān)系：響應(yīng)度與量子效率的關(guān)系： 響應(yīng)度是在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性響應(yīng)度是在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性 量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性 p 0 0 I R P p 0 e h I P 通過結(jié)區(qū)的光生載流子數(shù) 入射到器件上的光子數(shù) 0 h e R 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是指光電探測器跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)響應(yīng)時(shí)間是指光電探測器跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài) 影響響應(yīng)時(shí)間的主要因

5、素：載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間，影響響應(yīng)時(shí)間的主要因素：載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間， 耗盡區(qū)外載流子擴(kuò)散產(chǎn)生的時(shí)間延遲，耗盡區(qū)外載流子擴(kuò)散產(chǎn)生的時(shí)間延遲，RC時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 噪聲特性噪聲特性 噪聲源噪聲源 線性度線性度 線性度是描述光電探測器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)線性度是描述光電探測器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān) 系的程度系的程度 熱噪聲：主要指負(fù)載電阻的熱噪聲熱噪聲：主要指負(fù)載電阻的熱噪聲 散粒噪聲：量子噪聲、暗電流噪聲、散粒噪聲：量子噪聲、暗電流噪聲、APD倍增噪聲倍增噪聲 幾種常用的探測器 PIN光電二極管光電二極管 在在PN結(jié)中設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體（結(jié)中設(shè)置一層摻雜濃度

6、很低的本征半導(dǎo)體（I層），層），I層的材料具有層的材料具有 高阻抗特性，使得高阻抗特性，使得PIN內(nèi)部存在一個(gè)高電場區(qū)，內(nèi)部存在一個(gè)高電場區(qū)，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層， 控制控制I層的厚度可以控制耗盡層的厚度層的厚度可以控制耗盡層的厚度 I層很厚（相對(duì)）入射光很容易被吸收，從而產(chǎn)生大量的電子層很厚（相對(duì)）入射光很容易被吸收，從而產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 大幅提高了光電轉(zhuǎn)換速率大幅提高了光電轉(zhuǎn)換速率 I層的引入減小了擴(kuò)散分量對(duì)響應(yīng)速度的層的引入減小了擴(kuò)散分量對(duì)響應(yīng)速度的 影響，但過寬的耗盡層使得載流子通過影響，但過寬的耗盡層使得載流子通過 耗盡區(qū)的漂移時(shí)間過長，又將降低

7、響應(yīng)耗盡區(qū)的漂移時(shí)間過長，又將降低響應(yīng) 速度，因此應(yīng)該將綜合考慮設(shè)計(jì)速度，因此應(yīng)該將綜合考慮設(shè)計(jì)I層厚度層厚度 特點(diǎn)：響應(yīng)頻率高、響應(yīng)速度快、線性特點(diǎn)：響應(yīng)頻率高、響應(yīng)速度快、線性 度好成本低等度好成本低等 適用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng)適用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng) APD 雪崩光電二極管是利用雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)工作的一種二極管結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)工作的一種二極管 光從光從P+射入，進(jìn)入射入，進(jìn)入I層，材料吸收光能產(chǎn)生初級(jí)電子層，材料吸收光能產(chǎn)生初級(jí)電子空穴對(duì)空穴對(duì) 載流子在載流子在I層被耗盡層較弱的電場加速，移向?qū)颖缓谋M層較弱的電場加速

8、，移向PN結(jié)結(jié) 進(jìn)入結(jié)區(qū)后，載流子在高電場中不斷加速獲得很高的能量，與晶格原子碰撞進(jìn)入結(jié)區(qū)后，載流子在高電場中不斷加速獲得很高的能量，與晶格原子碰撞 使晶格原子發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子使晶格原子發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，新的電子空穴對(duì)，新的電子空穴對(duì)也被加速，空穴對(duì)也被加速， 又與其他原子碰撞發(fā)生電離，再次產(chǎn)生新的電子又與其他原子碰撞發(fā)生電離，再次產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空穴對(duì)，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 光電子雪崩式的放大，大大的提高了器件的響應(yīng)度光電子雪崩式的放大，大大的提高了器件的響應(yīng)度 特點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)速度快、具有內(nèi)部增益等特點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)速度快、具有內(nèi)部增益等 適用于長距

9、離、大容量的光纖通信系統(tǒng)適用于長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng) MSM光檢測器光檢測器 硅硅MSM檢測器平板型器件結(jié)構(gòu)如圖所示，即在硅材料上直接淀積叉檢測器平板型器件結(jié)構(gòu)如圖所示，即在硅材料上直接淀積叉 指狀金屬電極，金屬電極與硅材料形成肖特基勢壘接觸指狀金屬電極，金屬電極與硅材料形成肖特基勢壘接觸 當(dāng)適當(dāng)波長的光入射時(shí)，硅材料價(jià)帶電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶當(dāng)適當(dāng)波長的光入射時(shí)，硅材料價(jià)帶電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶 上去，在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間產(chǎn)生光生的電子上去，在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間產(chǎn)生光生的電子-空穴對(duì)空穴對(duì) 外加偏壓下，光生的電子外加偏壓下，光生的電子-空穴對(duì)在叉指電極之間電場作用下經(jīng)過漂移空穴對(duì)在

10、叉指電極之間電場作用下經(jīng)過漂移 或擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)被叉指電極俘獲，形成光生電流或擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)被叉指電極俘獲，形成光生電流 特點(diǎn)：與特點(diǎn)：與PIN和和APD光檢測器相比，這種結(jié)構(gòu)的光檢測器相比，這種結(jié)構(gòu)的 結(jié)電容小，所以帶寬大結(jié)電容小，所以帶寬大 另外它的制造也容易，但是這種器件的靈敏度低另外它的制造也容易，但是這種器件的靈敏度低 光晶體管光晶體管 光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用，只是它的集電極光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用，只是它的集電極 電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制 光晶體管是雙極型晶體管或場效應(yīng)晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件光晶體管是雙極型晶體管或場效應(yīng)晶體管等三端器件構(gòu)成的光電器件 光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，通過內(nèi)部電放大光在這類器件的有源區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生光生載流子，通過內(nèi)部電放大 機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生光電流增益機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生光電流增益 特點(diǎn)：雙極型光晶體管增益高，但響應(yīng)速度不太快，常用于光探測器特點(diǎn)：雙極型光晶體管增益高，但響應(yīng)速度不太快，常用于光探測器 和光放大；場效應(yīng)光晶體管響應(yīng)速度快，但缺點(diǎn)是光敏面積小，增益和光放大；場效應(yīng)光晶體管響應(yīng)速度快，但缺點(diǎn)是光敏面積小，增益 小，常用作極高速光探測器小，常用作極高速光探