第六章光檢測器

1、第六章第六章 光檢測器光檢測器光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號數(shù)字光接收機前端線性通道時鐘提取數(shù)據(jù)再生 光電檢測器能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光光電檢測器能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是：的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)； 具

2、有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響； 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真； 具有較小的體積、較長的工作壽命等。具有較小的體積、較長的工作壽命等。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，PIN光電二極管和光電二極管和APD雪崩光電二極管。雪崩光電二極管。6.1 光電檢測器光電檢測器 PN結(jié)結(jié)耗盡層內(nèi)建電場VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時，耗盡區(qū)加寬，勢壘加強。光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時，能量大于或

3、等于帶隙能量Eg的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子-空穴對（稱為光生載流子）。電子-空穴對在反向偏置的外電場作用下立即分開并在結(jié)區(qū)中向兩端流動，從而在外電路中形成電流（光電流）。6.1.1 PIN光電二極管光電二極管由于受激吸收僅僅發(fā)生在PN結(jié)附近，遠離PN結(jié)的地方?jīng)]有電場存在，因此就決定了PN光電二極管(PN Photodiode，PNPD)或PN光電檢測器的光電變換效率非常低下及響應(yīng)速度很慢。1. PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)光電二極管的結(jié)構(gòu)PIN光電二極管(PINPD)的結(jié)構(gòu)如圖6.2所示。圖6.2 PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)耗盡區(qū) PIN光電二極管是在摻雜濃度

4、很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，如圖6.3（a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖6.3（b）所示。圖6.3 PIN光電二極管外加反向偏置電壓的pin 光電二極管的電路示意圖pin 光電二極管的能帶簡圖，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子-空穴對（稱為光生載流子）。耗盡區(qū)的高電場使得電子-空穴對立即分開并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動，然后在邊界處被吸收，從而在外電路中形成電流。hEggEhc圖6.

5、4 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng) 2/1nnnDL 2/1pppDL )1 ()()(0 xsePxP 電子和空穴的擴散長度電子和空穴的擴散長度當(dāng)電載流子在材料中流動時，一些電子-空穴對會重新復(fù)合而消失，此時電子和空穴的平均流動距離分別為Ln和Lp，這個距離即擴散長度。其中Dn，Dp為電子和空穴的擴散系數(shù)，單位為cm2/s.pn,為電子和空隙的重新復(fù)合所需要的時間（載流子壽命）在半導(dǎo)體材料中光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律，其中 為波長 處的吸收系數(shù)吸收系數(shù)，P0是入射光功率，P(x)是通過距離x后所吸收的光功率。)(s不同材料吸收系數(shù)與波長的關(guān)系不同材料吸收系數(shù)與波長的關(guān)系 材料的截止波長c由其帶隙能量Eg決

6、定。 若波長比截止波長更長，則光子能量不足以激勵出一個光子。 此圖還說明，同一個材料對短波長的吸收很強烈 (s大) 。而且短波長激發(fā)的載流子壽命較短，載流子在光檢測器電路收集之前就已經(jīng)復(fù)合了。光吸收系數(shù) (cm-1)光穿透深度 (mm)光子能量增大方向特定的材料只能用于某個截止波長范圍內(nèi)例6.1 有一個光電二極管是由GaAs材料組成的，在300k時其帶隙能量為1.43eV，其截止波長為： nmeVJeVsmsJEhcgc869)/106 . 1 (43. 1/103.10625. 619834 特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長范圍內(nèi)，其上上限截止波長限截止波長為：)(24. 1)(eVEE

7、hcmggcm如果耗盡區(qū)寬度為w，在距離w內(nèi)吸收光功率為： )1 (0wsepwP )1)(1 (0fwpRePhvqIs 如二極管的入射表面反射系數(shù)為Rf，其初級光電流為：6.1.2 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）1. 雪崩倍增原理雪崩倍增原理 APD可以對初級光電流進行內(nèi)部放大，以增加接收機的靈敏度。由于要實現(xiàn)電流放大作用，光生載流子需要穿過很高的電場，以獲得很高的能量。光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)激發(fā)出新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的載流子通過電場加速，導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，從而獲得光生電流的雪崩倍增。雪崩二極管 (APD)設(shè)計動機：在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱

8、噪聲時已經(jīng)在高電場的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于顯著提高接收機靈敏度耗盡區(qū)高阻材料工作過程工作過程圖圖6.4 APD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1. 雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型APD和保護環(huán)型APD。拉通型雪崩光電二極管（RAPD）采用 結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖6.5所示。圖6.5（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6.5（b）所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn)90的示意圖。圖6.5（c）所示的是它的電場強度隨位置變化的分布圖。pnp圖6.5 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖 保護環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 APD隨使用

9、的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區(qū)）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長波長區(qū)）等。 6.2 光電檢測器的特性指標(biāo)光電檢測器的特性指標(biāo)6.2.1 光電檢測器的工作特性光電檢測器的工作特性1. 響應(yīng)度響應(yīng)度在一定波長的光照射下，光電檢測器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示如下：PIp式中：Ip為光生電流的平均值(單位：A)；P為平均入射光功率值(單位：W)。2. 量子效率量子效率響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號表示：hPe

10、Ip/入射到器件上的光子數(shù)數(shù)通過結(jié)區(qū)的光生載流子式中：e是電子電荷，其值約為1.610-19G；為光頻。與關(guān)系可以表示為：ehc式中：h是普朗克常數(shù)，c是光在真空中的速度,是光電檢測器的工作波長。代入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到：從上式可以看出：在工作波長一定時，與具有定量的關(guān)系。24. 1例6.3 能量為1.53x10-19 J的光子入射到光電二極管上，此二極管的響應(yīng)度為0.65A/W，如果入射光功率為10uW，則產(chǎn)生的光電流為：AWWAPIpmm5 . 6)10)(/65. 0(例6.2 有一個InGaAs材料的光電二極管，在100ns的脈沖時段內(nèi)共入射了波長為1300nm的光子6x106 個，平

11、均產(chǎn)生了 5.4x106 個電子空隙對，則其量子效率可以等于：90. 0106104 . 566 幾種不同材料的pin 光電二極管響應(yīng)度和量子效率與波長的關(guān)系曲線量子效率響應(yīng)度光子能量一定時，量子效率與光功率無關(guān)，響應(yīng)度是光功率的線性函數(shù)。0.923. 響應(yīng)速度響應(yīng)速度 光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。它取決于以下三個因素： 1、耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間； 2、耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴散時間； 3、光電二極管以及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。 影響這三個因素的參數(shù)有：耗盡區(qū)寬度w、吸收系數(shù)s、等效電容、等效電阻等。ddvwt載流子漂移速度耗盡區(qū)寬度一般在耗盡區(qū)高電場的情況下，光生

12、載流子可以達到散射的極限速度。例如：耗盡層為10 mm的Si光電二極管電場強度：20000 V/cm電子最大速度：8.4 x 106 cm/s空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s極限響應(yīng)時間：0.1 ns光載流子渡越時間耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子光載流子擴散時間耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子p區(qū)或n區(qū)產(chǎn)生的載流子向耗盡區(qū)擴散在耗盡區(qū)內(nèi)漂移到電極存在問題：較長的擴散時間會影響光電二極管的響應(yīng)時間解決辦法：盡量擴大耗盡層寬度擴散速度 漂移速度當(dāng)檢測器受到階躍光脈沖照射時，響應(yīng)時間可使用輸出脈沖的上升時間r和下降f 時間來表示。在理想情況下r = f，但是由于非全耗盡性中載流子擴散速度遠小于漂移速度，

13、使得rf，造成脈沖不對稱。上升時間和下降時間圖圖6.11 10%90%上升時間和下降時間非全耗盡型光電二極管的典型相應(yīng)時間非全耗盡型光電二極管的典型相應(yīng)時間光電二極管脈沖響應(yīng)1. 為了獲得較高的量子效率，耗盡區(qū)寬度w必須大于1/s (吸 收系數(shù)的倒數(shù))，以便可以吸收大部分的光；2. 同時如果w較大，會讓二極管結(jié)電容C變小，于是RLC常數(shù) 變小，從而得到較快的響應(yīng)；3. 但是過大的w會導(dǎo)致渡越時間的增大折衷取值范圍：1/s w 2/s不同參數(shù)條件下，光電二極管的脈沖響應(yīng)帶寬 設(shè)RT是負載電阻和放大器輸出電阻的組合，CT是光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，則檢測器可以近似為一個RC低通濾波器，

14、其帶寬為：TTCRB21例：如果光電二極管的電容為3 PF，放大器電容為4 PF，負載電阻為1 K歐姆，放大器輸入電阻為1歐姆，則CT = 7 PF，RT =1 K歐姆，所以電路帶寬：如果將負載電阻降為50歐姆，電路帶寬增加為455 MHz。MHzCRBTT2321 4. APD的倍增因子的倍增因子APD的電流增益，即平均倍增因子M可表示為： 式中：Ip為APD倍增后的光生電流；Ip0是未倍增時的原始光生電流。若無倍增時和倍增時的總電流分別為I1和I2，則應(yīng)扣除當(dāng)時的暗電流Id1和Id2后才能求出M。11220ddppIIIIIIM5. 光電檢測器的噪聲光電檢測器的噪聲輸出端光信噪比：S/N

15、= 光電流信號/(光檢測器噪聲功率+放大器噪聲功率)為了得到較高的信噪比：1. 光檢測器具有較高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號功率2. 使光檢測器和放大器噪聲盡可能的低噪聲來源)()()(tiItPhvqtipDCph)(22,2tiippinss 信號功率為P(t)的調(diào)制光信號落在檢測器上，則產(chǎn)生的初級光電流為：對于pin，均方信號電流為：222,2)(MtiipAPDss 對于APD，均方信號電流為：信號部分：光生電流信號對于一個調(diào)制指數(shù)為m的正弦輸入信號，信號成分為：22222)(pppImti )(2222MFBMqIiPQQ BMFMqIiDDBDB2222 BqIiLDSDS222

16、光電檢測器的噪聲包括量子噪聲量子噪聲、光電二極管材料引起的暗電流噪聲暗電流噪聲和由倍增過程產(chǎn)生的倍增噪聲倍增噪聲。量子噪聲量子噪聲是光電子產(chǎn)生和收集過程具有的統(tǒng)計特性。對于接收帶寬為B的接收機，量子噪聲均方根電流和光電流Ip的平均值成正比。其中F(M) Mx是噪聲系數(shù)，它與雪崩過程的隨機特性有關(guān)。光檢測器暗電流暗電流是指沒有光入射時流過檢測器的偏置電路的電流，它是體暗電流和表面暗電流之和：表面暗電流：表面缺陷、清潔程度等引起的漏電流。體暗電流：pn結(jié)區(qū)熱產(chǎn)生的電子和（或）空穴。()xF MM因子F(M)用于衡量由于倍增過程的隨機性導(dǎo)致的檢測器噪聲的增加。參數(shù)x稱為過剩噪聲指數(shù)，一般取決于材料，

17、并在01之間變化，x對于Si APD為0.3，對InGaAs APD為0.7，對Ge APD 為1.0。對于pin光電二極管，F(xiàn)(M)和M都等于1。雪崩倍增噪聲 APD中的雪崩過程具有統(tǒng)計特性，不同的光生載流子的放大倍數(shù)可能不同，給放大后的信號帶來了幅度上的隨機噪聲。這里定義F(M)為過剩噪聲因子，它近似等于：光檢測器的總均方噪聲電流為：BqIBMFMIIqiiiiLDPDSDBQDSDBQNN2)(2222222222 放大器輸入阻抗一般遠大于負載電阻RL，因此檢測器的負載熱噪聲由RL的熱噪聲決定：BRTkiLBTT422 總噪聲其中KB為波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。 InGaAs光電二極管

18、在波長為1300 nm時有如下參數(shù)：初級體暗電流ID = 4 nA，負載電阻RL = 1000 W，量子效率=0.90，表面暗電流可以忽略，入射光功率為300 nW (-35 dBm)，接收機帶寬為20 MHz，計算接收機的各種噪聲。AWsmsJmCPhcqPhvqPIinininpm282. 0103)/103(10625. 6103 . 1106 . 190. 07834619首先計算初級光電流：量子噪聲均方根電流：218661921080. 1)1020)(10282. 0)(106 . 1 (22AHzACBqIipQ例220691921056. 2)1020)(104)(106 . 1 (22AHzACBqIiDDB 光檢測器暗電流：負載均方熱噪聲電流為：21862321032310201)293)(/1038. 1 (44AHzkKKJBRTkiLBTW例 (續(xù))LBLDppRTBkBqIBMFMIIqMiNS/42)()(2222小結(jié)：對于 pin 光電二極管，主要噪聲電