光電轉(zhuǎn)換器件

1、光電轉(zhuǎn)換器件第一頁(yè)，共52頁(yè)。 光電二極管的物理工作原理I II Ip pR RL L輸輸出出負(fù)載電阻負(fù)載電阻偏置電壓偏置電壓光電二極管光電二極管圖2.1 外加反向偏置電壓的pin光電二極管的電路示意圖p pn ni iw第二頁(yè)，共52頁(yè)。 n n導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散p p帶隙帶隙E Eg g光子光子h h E Eg g擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散i i光生電子光生空穴耗盡區(qū)耗盡區(qū)w漂移漂移漂移漂移第三頁(yè)，共52頁(yè)。 光功率光功率檢測(cè)電流檢測(cè)電流光脈沖光脈沖電脈沖電脈沖漂移漂移擴(kuò)散擴(kuò)散由光功率輸出轉(zhuǎn)換為電流輸出由光功率輸出轉(zhuǎn)換為電流輸出, ,有一時(shí)間延遲有一時(shí)間延遲, ,其值主要決定了載流子通

2、過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間其值主要決定了載流子通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間 tr tr= =w/vs ( (漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)) )光電流存在擴(kuò)散分量光電流存在擴(kuò)散分量, ,它與耗盡區(qū)外的吸收有關(guān)它與耗盡區(qū)外的吸收有關(guān), ,擴(kuò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多, ,載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延檢載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延檢測(cè)器后沿脈沖加長(zhǎng)測(cè)器后沿脈沖加長(zhǎng), ,影響光電二極管的響應(yīng)速度。影響光電二極管的響應(yīng)速度。 增增加加w w，減小擴(kuò)散分量。減小擴(kuò)散分量。第四頁(yè)，共52頁(yè)。 （1 1）最普通的光電二極管是）最普通的光電二極管是pin光電二極管，如圖，如圖2.12.1示，它的示，它的p p型材料區(qū)和型材料區(qū)和n

3、 n型材型材料區(qū)由輕微摻雜料區(qū)由輕微摻雜n n型材料的本征（型材料的本征（i i）區(qū)隔）區(qū)隔開(kāi)。正常工作時(shí)，器件上加上足夠大的反開(kāi)。正常工作時(shí)，器件上加上足夠大的反向偏置電壓，本征區(qū)的載流子不會(huì)完全耗向偏置電壓，本征區(qū)的載流子不會(huì)完全耗盡，即本征區(qū)固有的盡，即本征區(qū)固有的n n和和p p載流子的濃度載流子的濃度非常小和摻雜載流子相比可忽略。非常小和摻雜載流子相比可忽略。 第五頁(yè)，共52頁(yè)。 當(dāng)一個(gè)入射光子能量大于或等于半導(dǎo)體的帶當(dāng)一個(gè)入射光子能量大于或等于半導(dǎo)體的帶隙能量時(shí)，將激勵(lì)價(jià)帶上的一個(gè)電子吸收光子的隙能量時(shí)，將激勵(lì)價(jià)帶上的一個(gè)電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，此過(guò)程產(chǎn)生自由的電子一能量

4、而躍遷到導(dǎo)帶上，此過(guò)程產(chǎn)生自由的電子一空穴對(duì)，由于它們是因光而產(chǎn)生的電載流子，故空穴對(duì)，由于它們是因光而產(chǎn)生的電載流子，故稱為光生載流子，如圖稱為光生載流子，如圖2.22.2所示。通常光電二極所示。通常光電二極管的設(shè)計(jì)使得大部分的入射光在耗盡區(qū)吸收，故管的設(shè)計(jì)使得大部分的入射光在耗盡區(qū)吸收，故大部分載流子也在此區(qū)域產(chǎn)生。耗盡區(qū)的高電場(chǎng)大部分載流子也在此區(qū)域產(chǎn)生。耗盡區(qū)的高電場(chǎng)使電子一空穴對(duì)立即分開(kāi)并在反向偏置的結(jié)區(qū)中使電子一空穴對(duì)立即分開(kāi)并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動(dòng)，然后在邊界處被收集，從而在外電向兩端流動(dòng)，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。每個(gè)載流子對(duì)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)流動(dòng)路中形成電流

5、。每個(gè)載流子對(duì)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)流動(dòng)的電子，這種電流稱為光電流。的電子，這種電流稱為光電流。第六頁(yè)，共52頁(yè)。 當(dāng)電載流子在材料中流動(dòng)時(shí)，一些電子一空穴當(dāng)電載流子在材料中流動(dòng)時(shí)，一些電子一空穴對(duì)會(huì)重新復(fù)合而消失對(duì)會(huì)重新復(fù)合而消失，此時(shí)電子和空穴的平均移，此時(shí)電子和空穴的平均移動(dòng)的距離分別為動(dòng)的距離分別為L(zhǎng) Ln n和和L Lp p，此距離稱為，此距離稱為擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度。 電子和空穴重新復(fù)合的時(shí)間稱為電子和空穴重新復(fù)合的時(shí)間稱為載流子壽命載流子壽命，分別記為分別記為n n和和P P 。載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度的關(guān)系。載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度的關(guān)系可表示為：可表示為：L Ln=n=（D Dn nn n）1/2

6、1/2 和和L Lp=p=（D Dp pp p）1/21/2 （1 1） 其中其中D Dn n和和D Dp p分別是電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，其分別是電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，其單位是單位是cmcm2 2/s/s 。第七頁(yè)，共52頁(yè)。 但但在半導(dǎo)體材料中，光功率的吸收呈指數(shù)在半導(dǎo)體材料中，光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律，即：規(guī)律，即： P（x）=P0（1-e- s()x） （2） 其中其中s() 是波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)，是波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)，s一般隨一般隨增加而減?。辉黾佣鴾p??；特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長(zhǎng)范圍特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。上限截止波長(zhǎng)取決于所用材料的帶隙內(nèi)。上限截止波長(zhǎng)取決于

7、所用材料的帶隙Eg： （3）)()(24.1meVEEhcggc第八頁(yè)，共52頁(yè)。 對(duì)對(duì)sisi，c c=1.06=1.06mm；對(duì)；對(duì)G Ge e, , c c=1.06=1.06mm。如果波長(zhǎng)更長(zhǎng)，光子的能量就不足以激勵(lì)一如果波長(zhǎng)更長(zhǎng)，光子的能量就不足以激勵(lì)一個(gè)價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶中。個(gè)價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶中。請(qǐng)同學(xué)思考: :有一個(gè)光電二極管是由有一個(gè)光電二極管是由GaAsGaAs材材料構(gòu)成的，在料構(gòu)成的，在300300k k時(shí)其帶隙能量為時(shí)其帶隙能量為1.431.43evev，問(wèn)，問(wèn)它是否能用于它是否能用于13101310nmnm的系統(tǒng)中？的系統(tǒng)中？第九頁(yè)，共52頁(yè)。 問(wèn)題問(wèn)題: : 是

8、否波長(zhǎng)越短越好呢是否波長(zhǎng)越短越好呢? ? 在短波長(zhǎng)段，材料的吸收系數(shù)變得很大，在短波長(zhǎng)段，材料的吸收系數(shù)變得很大，因此光子在接近光檢測(cè)器的表面就被吸收，電因此光子在接近光檢測(cè)器的表面就被吸收，電子一空穴對(duì)的壽命極短，結(jié)果載流子被光電檢子一空穴對(duì)的壽命極短，結(jié)果載流子被光電檢測(cè)器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。測(cè)器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。 如果耗盡區(qū)寬度為如果耗盡區(qū)寬度為w w，據(jù)（，據(jù)（2 2）式，在距離）式，在距離w內(nèi)吸收功率為：內(nèi)吸收功率為： P（w）=P0（1-e-s()x) （4 4）Sw第十頁(yè)，共52頁(yè)。 設(shè)光電二極管入射表面的反射系數(shù)為設(shè)光電二極管入射表面的反射系數(shù)為Rf，則，則從（從

9、（4）式得到初級(jí)光電流）式得到初級(jí)光電流IP： （5） P0是入射光功率，是入射光功率，q是電子電荷，是電子電荷，hv是光子能量。是光子能量。)1)(1 (0fwRePhvqIps第十一頁(yè)，共52頁(yè)。 （I）量子效率和響應(yīng)度）量子效率和響應(yīng)度 光電二極管的兩個(gè)重要性參數(shù)是量子效光電二極管的兩個(gè)重要性參數(shù)是量子效率和響應(yīng)速度，這些參數(shù)主要由器件材料的率和響應(yīng)速度，這些參數(shù)主要由器件材料的帶隙能量帶隙能量E Eg g , ,工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng)，p p區(qū)，區(qū)，i i區(qū)區(qū)，n n區(qū)的摻雜區(qū)的摻雜濃度和寬度所決定。濃度和寬度所決定。量子效率量子效率表示每個(gè)能量為表示每個(gè)能量為hv的入射光子所的入射光子所產(chǎn)

10、生的電子一空穴對(duì)數(shù)，由下式給出：產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)，由下式給出：hvPqIP/0入射的光子數(shù)產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)(6)(6)第十二頁(yè)，共52頁(yè)。在光電二極管的實(shí)際應(yīng)中，在光電二極管的實(shí)際應(yīng)中，100100個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生35359595個(gè)電子一空穴對(duì)，為個(gè)電子一空穴對(duì)，為30%30%95%95%。 為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使其可以吸收大部分的光子，區(qū)的厚度，使其可以吸收大部分的光子，但耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越但耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越（acrossacross）反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由）反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由

11、于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間取一折衷。效率之間取一折衷。 wvt第十三頁(yè)，共52頁(yè)。對(duì)對(duì)SiSi和和GeGe等間接帶隙半導(dǎo)體材料，為確保等間接帶隙半導(dǎo)體材料，為確保 值，值，w的典型值在的典型值在2050m范圍，范圍， tr tr 200ps,響應(yīng)速度較慢。響應(yīng)速度較慢。對(duì)對(duì)InGaAsInGaAs等接帶隙半導(dǎo)體材料，等接帶隙半導(dǎo)體材料，w可減小至可減小至35m，若取漂移速度若取漂移速度vs =107cm/s, tr tr =3050ps。若定義帶寬為。若定義帶寬為f=(

12、2 tr tr )-1, f=35GHz。最佳設(shè)計(jì)的最佳設(shè)計(jì)的PINPIN光電二極管，光電二極管，其其f=20GHz。w 0.9m的光，的光，InP是透明的，而晶格匹配的是透明的，而晶格匹配的 InGaAs的帶隙約的帶隙約為為0.75eV 其相應(yīng)的截止波長(zhǎng)其相應(yīng)的截止波長(zhǎng)c c=1.65=1.65m ，因而在中間因而在中間InGaAs層，在層，在1.31.6 m內(nèi)有很內(nèi)有很強(qiáng)的吸收。強(qiáng)的吸收。 由于光子僅在耗盡區(qū)內(nèi)吸收，完全消除了由于光子僅在耗盡區(qū)內(nèi)吸收，完全消除了擴(kuò)散分量，采用幾微米厚的擴(kuò)散分量，采用幾微米厚的InGaAs，量子，量子效率可接近效率可接近100%，這種，這種InGaAs光電二

13、極管光電二極管廣泛用于廣泛用于1.3和和1.5 m的光接收機(jī)中。的光接收機(jī)中。第十六頁(yè)，共52頁(yè)。光電二極管的性能經(jīng)常使用光電二極管的性能經(jīng)常使用響應(yīng)度響應(yīng)度來(lái)表征。它和量來(lái)表征。它和量子效率的關(guān)系為：子效率的關(guān)系為： （7 7）它描述了單位光功率產(chǎn)生的光生電流的大小它描述了單位光功率產(chǎn)生的光生電流的大小。 隨波長(zhǎng)及隨波長(zhǎng)及材料帶隙不同而不變材料帶隙不同而不變。對(duì)給定材料與給定的波長(zhǎng)，。對(duì)給定材料與給定的波長(zhǎng)， 是常數(shù)；對(duì)于給定材料，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)時(shí)，是常數(shù)；對(duì)于給定材料，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)時(shí)，光子能量越來(lái)越小，當(dāng)這個(gè)能量不足以從價(jià)帶激發(fā)一個(gè)光子能量越來(lái)越小，當(dāng)這個(gè)能量不足以從價(jià)帶

14、激發(fā)一個(gè)電子躍遷到導(dǎo)帶上的能量要求時(shí)，響應(yīng)度就會(huì)在截止波電子躍遷到導(dǎo)帶上的能量要求時(shí)，響應(yīng)度就會(huì)在截止波長(zhǎng)處迅速降低，如圖長(zhǎng)處迅速降低，如圖6.36.3示。示。hvqPIp0第十七頁(yè)，共52頁(yè)。 響響應(yīng)應(yīng)度度波長(zhǎng)波長(zhǎng)( ( m ) )圖6.3 n種不同材料的pin光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線第十八頁(yè)，共52頁(yè)。 例：如圖例：如圖6.36.3示，波長(zhǎng)范圍為示，波長(zhǎng)范圍為13001300nm nm 1600 1/ 1/s s 的光電二極管對(duì)矩形輸入脈的光電二極管對(duì)矩形輸入脈沖的響應(yīng)，它的上升與下降時(shí)間與輸入脈沖較一致；沖的響應(yīng)，它的上升與下降時(shí)間與輸入脈沖較一致；如果光電二極管電容

15、較大，那它的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)受如果光電二極管電容較大，那它的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)受R RL L和和R Rc c時(shí)間常數(shù)所限制，其脈沖響應(yīng)如圖時(shí)間常數(shù)所限制，其脈沖響應(yīng)如圖5.45.4（c c）; ;如耗盡如耗盡區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產(chǎn)生的任何載流子在被吸收以區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產(chǎn)生的任何載流子在被吸收以前不得不擴(kuò)散到耗盡區(qū)，所以窄耗盡區(qū)的器件會(huì)有明顯不前不得不擴(kuò)散到耗盡區(qū)，所以窄耗盡區(qū)的器件會(huì)有明顯不同的慢速和快速響應(yīng)分量，如圖同的慢速和快速響應(yīng)分量，如圖5.45.4（d d）。）。第二十七頁(yè)，共52頁(yè)。 圖圖5.4 在不同的檢測(cè)器參數(shù)條件下，在不同的檢測(cè)器參數(shù)條件下，光電二極管的脈沖響應(yīng)光電二極管

16、的脈沖響應(yīng) 第二十八頁(yè)，共52頁(yè)。 請(qǐng)同學(xué)思考：請(qǐng)同學(xué)思考：上升上升時(shí)間時(shí)間的快速分量起源于？（耗盡區(qū)產(chǎn)的快速分量起源于？（耗盡區(qū)產(chǎn)生的載流子）；而慢速分量則源于？（耗盡區(qū)邊界生的載流子）；而慢速分量則源于？（耗盡區(qū)邊界L Ln n處處的載流子的擴(kuò)散）的載流子的擴(kuò)散）在光脈沖的后沿，耗盡區(qū)的光脈沖吸收很快，所在光脈沖的后沿，耗盡區(qū)的光脈沖吸收很快，所以在下降時(shí)間里產(chǎn)生了快速分量，而在非耗盡區(qū)載以在下降時(shí)間里產(chǎn)生了快速分量，而在非耗盡區(qū)載流子的擴(kuò)散造成了脈沖后沿的一個(gè)很慢的延遲拖尾。流子的擴(kuò)散造成了脈沖后沿的一個(gè)很慢的延遲拖尾。結(jié)電容結(jié)電容Cj： (26)wAcsjs：半導(dǎo)體材料介電常數(shù)；：半導(dǎo)

17、體材料介電常數(shù)； A=擴(kuò)散層面積。擴(kuò)散層面積。 第二十九頁(yè)，共52頁(yè)。 設(shè)設(shè)R RT T是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻的組合，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻的組合，C CT T是是光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，如前光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，如前面圖面圖6.56.5示，則示，則此檢測(cè)器可近似為一個(gè)此檢測(cè)器可近似為一個(gè)R RC C低通濾波低通濾波器，其帶寬為器，其帶寬為TTCRB21第三十頁(yè)，共52頁(yè)。 InGaAs APD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（1）為改善）為改善InGaAs APD結(jié)構(gòu)，采用了多種多樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用了多種多樣復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，其中一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)就是吸收和倍的器件結(jié)構(gòu)，其中一種廣

18、泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)就是吸收和倍增分離（增分離（SAM，separateabsorptionandmultiplication）的）的APD，如圖，如圖6.8示，這種結(jié)構(gòu)在吸收區(qū)示，這種結(jié)構(gòu)在吸收區(qū)和倍增區(qū)使用了不同的材料，每個(gè)區(qū)為了一個(gè)特殊的功和倍增區(qū)使用了不同的材料，每個(gè)區(qū)為了一個(gè)特殊的功能進(jìn)行了最佳化的設(shè)計(jì)。光從能進(jìn)行了最佳化的設(shè)計(jì)。光從InP襯底進(jìn)入襯底進(jìn)入APD，由于，由于這種材料的帶隙能量較大，使長(zhǎng)波長(zhǎng)的光透射過(guò)去而進(jìn)入這種材料的帶隙能量較大，使長(zhǎng)波長(zhǎng)的光透射過(guò)去而進(jìn)入InGaAs吸收區(qū)，并產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。倍增區(qū)吸收區(qū)，并產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。倍增區(qū)InP層層中有很高的電場(chǎng)但沒(méi)有隧道擊穿。中

19、有很高的電場(chǎng)但沒(méi)有隧道擊穿。mm第三十一頁(yè)，共52頁(yè)。 mmInPInP襯底襯底InPInP緩沖層緩沖層InGaAsInGaAs吸收層吸收層InPInP倍增層倍增層光輸入光輸入金屬電極金屬電極金屬電極金屬電極圖圖6.86.8 SAM APD SAM APD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單圖（各結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單圖（各層未按實(shí)際比例）層未按實(shí)際比例） 第三十二頁(yè)，共52頁(yè)。 SAM結(jié)構(gòu)的其它形式包括對(duì)器件增結(jié)構(gòu)的其它形式包括對(duì)器件增加一些其它的層區(qū)：加一些其它的層區(qū)：在吸收層和倍增層之間加入一個(gè)在吸收層和倍增層之間加入一個(gè)漸變層來(lái)加快響應(yīng)時(shí)間，增大器件漸變層來(lái)加快響應(yīng)時(shí)間，增大器件帶寬；帶寬；增加一個(gè)電荷層，以便更好地控增加一個(gè)

20、電荷層，以便更好地控制電場(chǎng)分布；制電場(chǎng)分布；加入一個(gè)諧振腔，去除耦合，提高加入一個(gè)諧振腔，去除耦合，提高量子效率和增大帶寬。量子效率和增大帶寬。第三十三頁(yè)，共52頁(yè)。 （2）超晶格結(jié)構(gòu)）超晶格結(jié)構(gòu) 倍增區(qū)大約為倍增區(qū)大約為250nm厚，比如由厚，比如由13層層9nm厚的厚的InAlGaAs量子阱和量子阱和12層層12nm厚的厚的InGaAs墊壘交錯(cuò)而墊壘交錯(cuò)而成，此結(jié)構(gòu)提高了成，此結(jié)構(gòu)提高了InGaAs APD的響應(yīng)速度和靈敏度，的響應(yīng)速度和靈敏度，可用在可用在10Gb/s的長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中。的長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中。 第三十四頁(yè)，共52頁(yè)。 圖5.5 通過(guò)光數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào)路徑光接收機(jī)光接收機(jī)數(shù)字信

21、號(hào)傳輸數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)谌屙?yè)，共52頁(yè)。 傳輸信號(hào)是一個(gè)兩電平的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，在持續(xù)時(shí)間為傳輸信號(hào)是一個(gè)兩電平的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，在持續(xù)時(shí)間為Tb的時(shí)隙內(nèi)不是的時(shí)隙內(nèi)不是0就是就是1，這個(gè)時(shí)隙稱為一個(gè)比特周期。，這個(gè)時(shí)隙稱為一個(gè)比特周期。 在電域中，對(duì)于給定的數(shù)字信息有許多種發(fā)送方法，其在電域中，對(duì)于給定的數(shù)字信息有許多種發(fā)送方法，其中一種最簡(jiǎn)單發(fā)送二進(jìn)制碼的方法是幅移鍵控，即對(duì)一個(gè)中一種最簡(jiǎn)單發(fā)送二進(jìn)制碼的方法是幅移鍵控，即對(duì)一個(gè)二值電壓進(jìn)行開(kāi)或關(guān)的切換，所得到的信號(hào)波形由兩個(gè)幅二值電壓進(jìn)行開(kāi)或關(guān)的切換，所得到的信號(hào)波形由兩個(gè)幅度分別為度分別為V和和0的電壓脈沖組成，幅度為的電壓脈沖組成，幅度為

22、V的電壓脈沖對(duì)的電壓脈沖對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制碼中的信號(hào)應(yīng)于二進(jìn)制碼中的信號(hào)1，后者對(duì)應(yīng)于信號(hào)，后者對(duì)應(yīng)于信號(hào)0，為簡(jiǎn)單起，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)發(fā)送一個(gè)見(jiàn)，設(shè)發(fā)送一個(gè)1碼時(shí)，有一個(gè)持續(xù)時(shí)間為碼時(shí)，有一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Tb的電壓脈的電壓脈沖；對(duì)應(yīng)于沖；對(duì)應(yīng)于0碼，電壓保持在零值。碼，電壓保持在零值。mm第三十六頁(yè)，共52頁(yè)。 光發(fā)送機(jī)的功能是把一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換一個(gè)光信號(hào)，電光發(fā)送機(jī)的功能是把一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換一個(gè)光信號(hào)，電流流i(t)可用來(lái)直接調(diào)制光源以產(chǎn)生光輸出功率可用來(lái)直接調(diào)制光源以產(chǎn)生光輸出功率P（t）；光發(fā)；光發(fā)送機(jī)產(chǎn)生光信號(hào)時(shí)，持續(xù)時(shí)間為送機(jī)產(chǎn)生光信號(hào)時(shí)，持續(xù)時(shí)間為Tb的光能量脈沖代表的光能量脈沖代表1碼，碼，

23、沒(méi)有光發(fā)出時(shí)代表沒(méi)有光發(fā)出時(shí)代表0碼。碼。從光源耦合到光纖的光信號(hào)沿光纖玻璃傳輸時(shí)發(fā)生衰從光源耦合到光纖的光信號(hào)沿光纖玻璃傳輸時(shí)發(fā)生衰減和失真，到達(dá)接收機(jī)時(shí)，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再減和失真，到達(dá)接收機(jī)時(shí)，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大和濾波以后，判決電路把每個(gè)時(shí)隙的信號(hào)值和經(jīng)放大和濾波以后，判決電路把每個(gè)時(shí)隙的信號(hào)值和一個(gè)特定的參考電壓或閾值電壓進(jìn)行比較，如果接收一個(gè)特定的參考電壓或閾值電壓進(jìn)行比較，如果接收信號(hào)值大于閾值，則判定接收到一個(gè)信號(hào)值大于閾值，則判定接收到一個(gè)1碼，如小于閾值，碼，如小于閾值，則判定為則判定為0碼。碼。m第三十七頁(yè)，共52頁(yè)。光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)

24、中實(shí)現(xiàn)是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件電信號(hào)的器件。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件 第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件 第四節(jié)第四節(jié) 新型新型光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件 第五節(jié)第五節(jié) 光敏傳感器的應(yīng)用舉例光敏傳感器的應(yīng)用舉例第三十八頁(yè)，共52頁(yè)。三、光電效應(yīng)三、光電效應(yīng) 是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換器件的工作原理基于光量，從

25、而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換器件的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類1 1、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng) 在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。等。光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=hh普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（

26、光的頻率（s-1）第三十九頁(yè)，共52頁(yè)。根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過(guò)部分的能量子的能量大于該物體的表面逸出功，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開(kāi)始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間金屬氧化物，從光開(kāi)始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過(guò)不超過(guò)10- -9s。根據(jù)能量守恒定理根據(jù)能量守恒定理 式中式中 m m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v v

27、0 0電子逸出速度。電子逸出速度。 02021Amh該方程稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。該方程稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。第四十頁(yè)，共52頁(yè)。n光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功物體的表面電子逸出功A A0 0。不同的物質(zhì)具有不同的逸不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的

28、入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。子射出。第四十一頁(yè)，共52頁(yè)。n當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。逸出的電子數(shù)也就越多。n光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02 /2 ，因此外，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也光電效應(yīng)器件（如

29、光電管）即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。第四十二頁(yè)，共52頁(yè)。 當(dāng)光照射在物體上，使物體的當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率電阻率發(fā)生變化，發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)兩類：兩類： （1） 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，

30、電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有器件有光敏電阻光敏電阻。2 2、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)第四十三頁(yè)，共52頁(yè)。過(guò)程：過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃使材料中導(dǎo)帶內(nèi)

31、的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶禁帶禁帶自由電子所占能帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg第四十四頁(yè)，共52頁(yè)。 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限0，只有波長(zhǎng)小于，只有波長(zhǎng)小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。 式中式中、分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。分別為入射光

32、的頻率和波長(zhǎng)。 Eg24. 1hch為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度料的禁帶寬度Eg，即，即第四十五頁(yè)，共52頁(yè)。 圖2 光電導(dǎo)元件工作示意圖光導(dǎo)元件URL電極電極入射光 圖圖2 2為光電導(dǎo)元件為光電導(dǎo)元件工作示意圖。圖中光工作示意圖。圖中光電導(dǎo)元件與偏置電源電導(dǎo)元件與偏置電源及負(fù)載電阻及負(fù)載電阻RLRL串聯(lián)。串聯(lián)。當(dāng)光電導(dǎo)元件在一定當(dāng)光電導(dǎo)元件在一定強(qiáng)度的光的連續(xù)照射強(qiáng)度的光的連續(xù)照射下下, ,元件達(dá)到平衡狀態(tài)元件達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)時(shí), ,輸出的短路電流密輸出的短路電流密度為度為第四十六頁(yè)，共52頁(yè)。 （2 2） 光生伏

33、特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。 在接觸的半導(dǎo)體和在接觸的半導(dǎo)體和PNPN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。 以以PN結(jié)為例，光線照射結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)

34、帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。形成光電動(dòng)勢(shì)。 第四十七頁(yè)，共52頁(yè)。側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光照部

35、分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感電動(dòng)勢(shì)?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（器件（PSD）。）。第四

36、十八頁(yè)，共52頁(yè)。 包含光包含光- -熱、熱熱、熱- -電電, ,兩個(gè)階段的信息變換過(guò)程兩個(gè)階段的信息變換過(guò)程。光。光- -熱階熱階段是物質(zhì)吸收了光以后溫度升高段是物質(zhì)吸收了光以后溫度升高, ,熱熱- -電階段是利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)電階段是利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。熱釋電效應(yīng)就是這種效應(yīng)之一。變?yōu)殡娦盘?hào)。熱釋電效應(yīng)就是這種效應(yīng)之一。 熱釋電材料有晶體、陶瓷和塑料等。使用最早的是熱釋熱釋電材料有晶體、陶瓷和塑料等。使用最早的是熱釋電晶體。熱釋電晶體在自然條件下能夠自發(fā)極化電晶體。熱釋電晶體在自然條件下能夠自發(fā)極化, ,形成固有形成固有的偶極矩的偶極矩, ,在垂直晶體極軸的兩個(gè)端面上具有大小相等、符在垂直晶體極軸的兩個(gè)端面上具有大小相等、符號(hào)相反的束縛電荷。如果垂直晶體極軸的兩個(gè)端面上鍍有號(hào)相反的束縛電荷。如果垂直晶體極軸的兩個(gè)端面上鍍有金屬電極金屬電極, ,則在電極上會(huì)感生與束縛電荷大小相等的自由電則在電極上會(huì)感生與束縛