光纖通信結(jié)課論文光電檢測(cè)器

1、光纖通信結(jié)課論文題目： 光電檢測(cè)器學(xué)院： xxxxxxxxxxx學(xué)院專業(yè)班級(jí)： xxxxxxxxxxx一班任課教師： xxxxxxxxxxxxxxxx姓名： xxxx xxxxxx學(xué)號(hào)： xxxxxxxxxxxxxxxx日期： 2009年6月光 電 檢 測(cè) 器摘要光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測(cè)技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示。光電檢測(cè)技術(shù)從原理上講可以檢測(cè)一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測(cè)的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電探測(cè)器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理，以達(dá)

2、到電信號(hào)輸出的目的。然后采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以便于進(jìn)行相應(yīng)的電路改進(jìn)，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，同時(shí)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。關(guān)鍵詞 光電二極管 雪崩光電二極管 光電檢測(cè) 光電效應(yīng) 信噪比正文 一、概述 光信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，在接收端有一個(gè)接收光信號(hào)的元件。但是由于目前我們對(duì)光的認(rèn)識(shí)還沒有達(dá)到對(duì)電的認(rèn)識(shí)的程度，所以我們并不能通過對(duì)光信號(hào)的直接還原而獲得原來的信號(hào)。在他們之間還存在著一個(gè)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后再由電子線路進(jìn)行放大的過程，最后再還

3、原成原來的信號(hào)。這一接收轉(zhuǎn)換元件稱作光檢測(cè)器，或者光電檢測(cè)器，簡(jiǎn)稱檢測(cè)器，又叫光電檢波器或者光電二極管。常見的光檢測(cè)器包括：pn光電二極管、pin光電二極管和雪崩光電二極管（apd）。光檢測(cè)器的要求：（1） 靈敏度高：靈敏度高表示檢測(cè)器把光功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯男矢?。在?shí)際的光接收機(jī)中，光纖傳來的信號(hào)及其微弱，有時(shí)只有1nw左右。為了得到較大的信號(hào)電流，人們希望靈敏度盡可能的高。（2） 響應(yīng)速度快：指射入光信號(hào)后，馬上就有電信號(hào)輸出；光信號(hào)一停，電信號(hào)也停止輸出，不要延遲。這樣才能重現(xiàn)入射信號(hào)。實(shí)際上電信號(hào)完全不延遲是不可能的，但是應(yīng)該限制在一個(gè)范圍之內(nèi)。隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率的不斷提高，超高

4、速的傳輸對(duì)光電檢測(cè)器的響應(yīng)速度的要求越來越高，對(duì)其制造技術(shù)提出了更高的要求。（3） 噪聲?。簽榱颂岣吖饫w傳輸系統(tǒng)的性能，要求系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的噪聲要求足夠小。但是對(duì)于光電檢測(cè)器要求特別嚴(yán)格，因?yàn)樗窃跇O其微弱的信號(hào)條件下工作，又處于光接收機(jī)的最前端，如果在光電變換過程中引入的噪聲過大，則會(huì)使信號(hào)噪聲比降低，影響重現(xiàn)原來的信號(hào)。（4） 穩(wěn)定可靠：要求檢測(cè)器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和環(huán)境變化的影響，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。光電檢測(cè)電路的基本構(gòu)成光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，而且光探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中，因此，要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預(yù)

5、處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。其光電檢測(cè)模塊的組成框圖如圖所示。二、總體應(yīng)用設(shè)計(jì)1 光電二極管的工作模式與等效模型11 光電二極管的工作模式光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。事實(shí)上，在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流(叫做暗電流或無(wú)照電流1。而在零偏置時(shí)則沒有暗電

6、流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時(shí)，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設(shè)計(jì)光電二極管電路的過程中，通常是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是對(duì)兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般來說，在光電精密測(cè)量中，被測(cè)信號(hào)都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設(shè)計(jì)由于所討論的待檢測(cè)信號(hào)也是十分微弱的信號(hào)，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以，設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏模式。 12 光電二極管的等效電路模型工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源、一個(gè)理想的二極管、結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中，il為二極管的漏電流；isc

7、為二極管的電流；rpd為寄生電阻；cpd為光電二極管的寄生電容；epd為噪聲源；rs為串聯(lián)電阻。 由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為cpd和rpd，它們將影響光檢測(cè)電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。cpd是由光電二極管的p型和n型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層越窄，結(jié)電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如pin光電二極管)會(huì)表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約在20或25pf到幾千pf以上。而光電二極管的寄生電阻rpd(也稱作分流電阻或暗電阻)，則與光電二極管的偏置有關(guān)。與光伏電壓方式相反，光導(dǎo)方式中的光電二極管則有一個(gè)

8、反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測(cè)器件時(shí)，耗盡層的寬度會(huì)增加，從而大幅度地減小寄生電容cpd的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線性度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個(gè)問題的折衷設(shè)計(jì)將增加二極管的漏電流il和線性誤差。2 電路設(shè)計(jì) 21 主放大器設(shè)計(jì)眾多需要檢瀏的微弱光信號(hào)通常都是通過各種傳感器來進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而使檢測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測(cè)對(duì)象本身為微弱量，同時(shí)受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號(hào)，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計(jì)中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，但后續(xù)電路一般為ad轉(zhuǎn)換電路，所需電壓幅值一般為2

9、v。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號(hào)一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應(yīng)用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。該主放大器的放大倍數(shù)為a=lr2/r3，其中r2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)定合理的r2和r1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有22濾波器設(shè)計(jì) 為使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔并具有良好的信噪比,設(shè)計(jì)時(shí)還需要用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。為保證測(cè)量的精確性，本設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內(nèi)的信號(hào)，而抑制該頻段以外的信號(hào)。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，

10、f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：b=f2-f1=f0/q式中，q為品質(zhì)因數(shù)，q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因?yàn)橹行念l率一定時(shí)，q值越大，所通過的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。有源濾波器是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運(yùn)算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對(duì)于無(wú)源濾波器的特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運(yùn)算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡(jiǎn)單而且性能優(yōu)良。本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(vcvs)帶通濾波器，其

11、濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源(vcvs)低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。對(duì)于第一部分，即低通濾波器，系統(tǒng)要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)為：第二部分為高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)如下：3 完整的檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 本光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整電路如圖7所示。為方便表示，電路中的r2、r3即為前面等效電路模型中的rt、rf。前級(jí)部分由光電轉(zhuǎn)換二極管與前級(jí)放大器組成，這也是光電檢測(cè)電路的核心部分，其器件選用高性能低噪聲運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)電路匹配并將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍的放大。然而，雖然前級(jí)放大倍數(shù)可以設(shè)計(jì)得很大，但由于反饋電阻會(huì)

12、引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前級(jí)信號(hào)不能無(wú)限放大。三、器件工作原理及技術(shù)參數(shù) （1）pn結(jié)的光電效應(yīng)光電二極管（pd）是一個(gè)工作在反向偏壓下的pn結(jié)二極管，如下圖。由光電二極管作成的光檢測(cè)器的核心是pn結(jié)的光電效應(yīng)。 當(dāng)pn結(jié)加反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)方向與pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在pn結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到pn結(jié)上，且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙eg時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個(gè)電子空穴對(duì)。 在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下電子向n區(qū)漂移，空穴向p區(qū)漂移，如果pn結(jié)外電路構(gòu)成回路，就會(huì)形成光電流。當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光電流也隨之線

13、性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)入射光子能量小于eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足： c為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，稱為截止波長(zhǎng)。 以si為材料的光電二極管,c=1.06m；以ge為材料的光電二極管，c=1.60m。 利用光電效應(yīng)可以制造出簡(jiǎn)單的pn結(jié)光電二極管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實(shí)際上不適合做光纖通信的檢測(cè)器。 （2）pin光電二極管 1）pin光電二極管的結(jié)構(gòu) pin光電二極管是在摻雜濃度很高的p型、n型半導(dǎo)體之間，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為i層。在外加反向偏置電壓作用下，i層中形成

14、很寬的耗盡層。結(jié)構(gòu)如圖1所示。 由于i層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，i層兩側(cè)的p層、n層很薄，光生載流子的漂移時(shí)間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。 檢測(cè)某波長(zhǎng)的光時(shí)要選擇合適材料作成的光檢測(cè)器。 首先，材料的帶隙決定了截止波長(zhǎng)要大于被檢測(cè)的光波波長(zhǎng)，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。 其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。 sipin光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為0.51m。gepin和ingaaspin光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍約為11.7m。 2）響應(yīng)度 響應(yīng)度是描述光檢測(cè)器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參

15、量。它定義為： 其中，p0為入射到光電二極管上的光功率；ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為a/w。 3）量子效率 量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即： =(光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子-空穴對(duì)數(shù))/入射光子數(shù) 其中,e為電子電荷，其值為1.610-19 c。所以有： 式中,單位取m?？梢姡怆姍z測(cè)器的響應(yīng)度隨波長(zhǎng)的增大而增大。 圖2為pin光電二極管的響應(yīng)度、量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系?？梢钥闯?，響應(yīng)度、量子效率隨著波長(zhǎng)的變化而變化。為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，使入射光子盡可能多地進(jìn)入pn結(jié)；同時(shí)減少光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡

16、區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。 4）響應(yīng)速度 響應(yīng)速度是光電檢測(cè)器的另一個(gè)重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間），如圖3來表示 圖3 光檢測(cè)器的脈沖響應(yīng) 光電二極管在接收機(jī)中使用時(shí)通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測(cè)器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。 圖4為檢測(cè)器電路及其等效電路，其中cpn為檢測(cè)器的結(jié)電容； rb為偏置電阻；ra、ca分別為放大器的輸入電阻和輸入電容；rs為檢測(cè)器的串聯(lián)電阻，通常只有幾歐，可以忽略。 影響響應(yīng)速度的主要因素有： 檢測(cè)器及其有關(guān)電路的rc時(shí)間常數(shù)，設(shè)它造成的脈沖前沿上升時(shí)間為：rc。要提高響應(yīng)速度，就要降低整個(gè)電路的時(shí)間常數(shù)。從檢測(cè)器本身來看，就要盡

17、可能降低結(jié)電容。 圖4 光檢測(cè)器電路及等效電路 式中，為材料的介電常數(shù)，a為結(jié)面積，w為耗盡區(qū)厚度。 載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間，設(shè)上升時(shí)間為：dr 光電二極管的響應(yīng)速度主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在電場(chǎng)作用下的漂移通過所需時(shí)間(即渡越時(shí)間)的限制。渡越時(shí)間： 式中，vd為光身載流子的漂移速度。 漂移運(yùn)動(dòng)的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，漂移速度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一值后，漂移速度不再變化。 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲，設(shè)上升時(shí)間為：di。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收。 由于擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會(huì)帶來附加時(shí)延，會(huì)

18、使輸出電信號(hào)脈沖拖尾加長(zhǎng)。 總的上升時(shí)間為： 光檢測(cè)器的功能 光檢測(cè)器的主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光檢測(cè)器是光接收模塊的重要部件。目前光纖通信系統(tǒng)中使用的光檢測(cè)器主要是移相開關(guān)二極管，即pin二極管。pin二極管對(duì)低頻信號(hào)具有整流作用，而對(duì)高頻信號(hào)，卻只有阻抗作用。阻抗值的大小決定于中間層。當(dāng)中間層為正偏時(shí)，因?yàn)橛休d流子注入中間層，器件呈低阻；而當(dāng)中間層處于零偏或反偏時(shí)，器件呈高阻。從而可以用于信息的檢測(cè)。 光檢測(cè)器的一個(gè)重要性質(zhì)就是接收靈敏度，它是外入光信號(hào)使接收器工作必須具有的最小功率。應(yīng)該指出，接收器靈敏度是針對(duì)一定范圍的光波長(zhǎng)而言的。 四、光電檢測(cè)器件結(jié)構(gòu)原理（一）半導(dǎo)體的能級(jí)按

19、照量子力學(xué)理論,由于物質(zhì)內(nèi)原子間靠得很近,彼此的能級(jí)會(huì)互相影響,而使原子能級(jí)展寬成一個(gè)個(gè)能帶。又由于電子是費(fèi)米子,遵從泡利不相容原理。電子以能量大小為序,從基態(tài)開始,每個(gè)量子態(tài)上一個(gè)電子向上填充,直填到費(fèi)米能f為止。再上面的能級(jí)都是空的。被電子填滿的能帶叫滿帶。滿帶中的電子如同很多人擠在一個(gè)狹小的空間,誰(shuí)也動(dòng)不了。所以,雖然有許多電子,但是不能形成定向移動(dòng),因而滿帶中的電子不是載流子,是不能導(dǎo)電的。全部空著的能帶稱為空帶。能帶間的間隔叫帶隙(用eg表示)或禁帶,禁帶不允許有電子存在。圖1所示的是導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1(a)所示,導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)f在一個(gè)能帶的中央,該能帶被部

20、分填充。由于能帶的亞結(jié)構(gòu)之間的能量相差很小,因此這時(shí)只需很少的能量(如一外加電場(chǎng)),就能把電子激發(fā)到空的能級(jí)上,形成定向移動(dòng)的電流。這正是具有這種能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)被稱為導(dǎo)體的原因。如果某一能帶剛好被填滿,它與上面的空帶間隔著一個(gè)禁帶,此時(shí)大于帶隙間隔的能量才能把電子激發(fā)到空帶上去。一般帶隙較大(大于10ev數(shù)量級(jí))的物質(zhì),被稱為絕緣體,如圖1(b)所示;而帶隙較小(小于1ev數(shù)量級(jí))的物質(zhì),被稱為半導(dǎo)體,如圖1(c)所示。半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位于滿帶與空帶之間的禁帶內(nèi),此時(shí)緊鄰著禁帶的滿帶稱為價(jià)帶,而上面的空帶稱為導(dǎo)帶。如果由于某種原因?qū)r(jià)帶頂部的一些電子激發(fā)到導(dǎo)帶底部,在價(jià)帶頂部就相應(yīng)地留下一些空

21、穴,從而使導(dǎo)帶和價(jià)帶都變得可以導(dǎo)電了。所以半導(dǎo)體的載流子有電子和空穴兩種?？梢?半導(dǎo)體介于導(dǎo)體與絕緣體之間的特殊的導(dǎo)電性是由它的能帶結(jié)構(gòu)決定的。（二）半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí),由于半導(dǎo)體中的電子吸收了光子的能量,使電子從半導(dǎo)體表面逸出至周圍空間的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以制成陰極射線管、光電倍增管和攝像管的光陰極等。半導(dǎo)體材料的價(jià)帶與導(dǎo)帶間有一個(gè)帶隙,其能量間隔為eg。一般情況下,價(jià)帶中的電子不會(huì)自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶,所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。但如果通過某種方式給價(jià)帶中的電子提供能量,就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中,形成載流子,增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵(lì)方式。當(dāng)入射光的能

22、量he(g eg為帶隙間隔)時(shí),價(jià)帶中的電子就會(huì)吸收光子的能量,躍遷到導(dǎo)帶,而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴,形成一對(duì)可以導(dǎo)電的電子空穴對(duì)。這里的電子并未逸出形成光電子,但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。因此,這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,要使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶,也存在一個(gè)入射光的極限能量,即e入=h0=eg,其中0是低頻限(即極限頻率0=egh)。這個(gè)關(guān)系也可以用長(zhǎng)波限表示,即0=hceg。入射光的頻率大于0或波長(zhǎng)小于0時(shí),才會(huì)發(fā)生電子的帶間躍遷。當(dāng)入射光能量較小,不能使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí),有可能使電子吸收光能后,在一個(gè)能帶內(nèi)的亞能級(jí)結(jié)構(gòu)間(即圖1中每個(gè)能帶的細(xì)線間)

23、躍遷。廣義地說,這也是一種光電效應(yīng)。這些效應(yīng),可以由半導(dǎo)體材料對(duì)光波的吸收譜線來觀察和分析。（三）半導(dǎo)體材料的摻雜與pn結(jié)的形成半導(dǎo)體材料硅(si)和鍺(ge)都是第主族元素,每個(gè)電子的4個(gè)價(jià)電子與近鄰的4個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵。如圖2(a)所示。這些價(jià)電子就是處在價(jià)帶中的電子。種是在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的第主族雜質(zhì),如磷(p)、砷(as)、銻(sb)等。當(dāng)它們?cè)诰Ц裰刑娲柙雍?它的五個(gè)價(jià)電子除了四個(gè)與近鄰的硅原子形成共價(jià)鍵外,還多出一個(gè)電子吸附在已成為帶正電的雜質(zhì)離導(dǎo)帶f禁帶周圍,如圖2(b)所示。這種提供電子的雜質(zhì)叫施主雜質(zhì)。量子理論分析的結(jié)果表明,此時(shí)將在靠近半導(dǎo)體導(dǎo)帶下邊緣

24、的禁帶中產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí),如圖所示。此能級(jí)與導(dǎo)帶底能隙很小,室溫下其上的電子也可大量激發(fā)到導(dǎo)帶上去,形成載流子。這種主要依靠施主雜質(zhì)提供電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體,叫n型半導(dǎo)體。它的多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)是電子,少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)是空穴。另一種摻雜是在純凈半導(dǎo)體中摻入微量第主族雜質(zhì),如硼(b)、鋁(al)、鎵(ga)、銦(in)等。此時(shí)會(huì)形成如圖2(c)所示的接受電子的受主雜質(zhì)。這也相當(dāng)于提供了一個(gè)空穴。這種摻雜產(chǎn)生的受主能級(jí)在靠近價(jià)帶上邊緣的禁帶中。室溫下價(jià)帶中的電子可以大量激發(fā)到受主能級(jí)上去,而在價(jià)帶中留下正載流子空穴,如圖3(b)所示。這種主要依靠受主雜質(zhì)提供的空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫p型半導(dǎo)體。其

25、多子是空穴,少子是電子。如果一塊半導(dǎo)體材料中,一部分p型區(qū)緊鄰著另一部分n型區(qū),如圖4(a)所示,由于兩個(gè)區(qū)域的多子類型不同,某區(qū)域內(nèi)濃度高的載流子要向另一個(gè)區(qū)域擴(kuò)散。即p區(qū)的多子空穴向n區(qū)擴(kuò)散,而n區(qū)的多子電子向p區(qū)擴(kuò)散。直至在接觸面附近形成一個(gè)由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建場(chǎng)阻止電荷的繼續(xù)擴(kuò)散,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。如圖4(b)所示。此時(shí)在兩區(qū)交界處就形成了pn結(jié)。（四）apd雪崩光電二極管具有內(nèi)部光電流增益的半導(dǎo)體光電子器件，又稱固態(tài)光電倍增管。它應(yīng)用光生載流子在二極管耗盡層內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光電流的雪崩倍增。這種器件具有小型、靈敏、快速等優(yōu)點(diǎn)，適用于以微弱光信號(hào)的探測(cè)和接收，在光纖通信、激光測(cè)距和其

26、他光電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。 當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體二極管加上足夠高的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子就可能因碰撞電離效應(yīng)而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導(dǎo)體二極管的反向擊穿機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。當(dāng)載流子的雪崩增益非常高時(shí)，二極管進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)；在此以前，只要耗盡層中的電場(chǎng)足以引起碰撞電離，則通過耗盡層的載流子就會(huì)具有某個(gè)平均的雪崩倍增值。 碰撞電離效應(yīng)也可以引起光生載流子的雪崩倍增，從而使半導(dǎo)體光電二極管具有內(nèi)部的光電流增益。1953年，k.g.麥克凱和k.b.麥卡菲報(bào)道鍺和硅的pn結(jié)在接近擊穿時(shí)的光電流倍增現(xiàn)象。1955年，s.l.密勒指出在突變pn結(jié)中，載流子的倍增因子m隨反向偏壓v的

27、變化可以近似用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示 m1/1-(v/vb)n 式中vb是體擊穿電壓,n是一個(gè)與材料性質(zhì)及注入載流子的類型有關(guān)的指數(shù)。當(dāng)外加偏壓非常接近于體擊穿電壓時(shí)，二極管獲得很高的光電流增益。pn結(jié)在任何小的局部區(qū)域的提前擊穿都會(huì)使二極管的使用受到限制，因而只有當(dāng)一個(gè)實(shí)際的器件在整個(gè)pn結(jié)面上是高度均勻時(shí)，才能獲得高的有用的平均光電流增益。因此，從工作狀態(tài)來說，雪崩光電二極管實(shí)際上是工作于接近（但沒有達(dá)到）雪崩擊穿狀態(tài)的、高度均勻的半導(dǎo)體光電二極管。1965年，k.m.約翰遜及l(fā).k.安德森等分別報(bào)道了在微波頻率下仍然具有相當(dāng)高光電流增益的、均勻擊穿的半導(dǎo)體雪崩光電二極管。從此，雪崩光電二極管作

28、為一種新型、高速、靈敏的固態(tài)光電探測(cè)器件漸漸受到重視。（五）pin光電二極管光電二極管是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個(gè)pn結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，pn結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且pn結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入pn結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。

29、這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。技術(shù)參數(shù)表：五、應(yīng)用舉例（一）蒸發(fā)光散射檢測(cè)器蒸發(fā)光散射檢測(cè)器(evaportive light scattering,elsd)已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)15年，但是對(duì)于許多色譜工作者來說，它仍是一個(gè)新產(chǎn)品。第一臺(tái)elsd是由澳大利亞的union carbide研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家研制開發(fā)的，并在八十年代初轉(zhuǎn)化為商品，八十年代以激光為光源的第二代elsd面世。此后，通過不斷設(shè)計(jì)提高了elsd的操作性能?，F(xiàn)在elsd越來越多的作為通用型檢測(cè)器用于高效液相色譜，超臨界色譜（sfc）和逆流色譜中。elsd最大的優(yōu)越性在于能檢測(cè)不含發(fā)色團(tuán)的化合物，如：碳水化合物、脂類、聚合物、未衍生脂肪酸和氨基酸、表面活性劑、藥物，并在沒有標(biāo)準(zhǔn)