半導體光檢測器原理3版

2023/12/2513.2半導體光檢測器

光接收機是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分；

作用：把光發(fā)射機發(fā)送的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)化成相應的電信號并放大、再生恢復為原傳輸?shù)男盘枴?/p>

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圖5.1光接收機組成框圖

光檢測器產(chǎn)生的光電流是非常微弱的，必須由前置放大器進行低噪聲放大，因此前置放大器的噪聲對光接收機的靈敏度影響非常大；主放大器是為了提供足夠的增益，并通過它實現(xiàn)自動增益控制（AGC)，以使光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號保持穩(wěn)定；均衡器以及濾波器對信號進行進一步放大及整形，以提高系統(tǒng)性能。組成：2023/12/253（1）在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；（2）具有足夠快的響應速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；（3）具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；（4）具有良好的線性關系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；（5）具有較小的體積、較長的工作壽命等。對光檢測器的基本要求:2023/12/254PIN光電二極管

APD雪崩二極管本節(jié)介紹發(fā)光二極管的工作原理，基本結(jié)構(gòu)和主要特性。光檢測器的常用類型2023/12/2551、光電二極管的結(jié)構(gòu)和功能

結(jié)構(gòu)：光電二極管是一個工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管。功能：把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，是由半導體PN結(jié)的光電效應實現(xiàn)的。

3.2.1光電二極管(PD)工作原理2023/12/256在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴散運動，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場使電子和空穴產(chǎn)生與擴散運動方向相反的漂移運動，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成耗盡層如圖3.19(a)。2、工作過程2023/12/257

圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運動；(b)零偏壓時P-N結(jié)的能帶圖；中性層耗盡層2023/12/258當入射光作用在PN結(jié)時，如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)，便發(fā)生受激吸收，即價帶的電子吸收光子的能量躍遷到導帶形成光生電子-空穴對。在耗盡層，由于內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，形成漂移電流。在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴散電流。漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。2023/12/2592023/12/2510當與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產(chǎn)生電動勢，這種效應稱為光電效應。當連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子-空穴對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。

2023/12/2511當PN結(jié)加反向偏壓時，外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢壘加強，在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當入射光子能量小于Eg時，不論入射光有多強，光電效應也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應必須滿足

λc為產(chǎn)生光電效應的入射光的最大波長，稱為截止波長。以Si為材料的光電二極管,λc=1.06μm;以Ge為材料的光電二極管，λc=1.60μm。光檢測器工作過程2023/12/25123、光電二極管的特點利用光電效應可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管,結(jié)構(gòu)簡單，但響應速度慢，器件的穩(wěn)定度較差。原因：1）加偏壓，增加耗盡層的寬度，縮小中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴散分量，提高了漂移量（v漂>>v擴）——提高了響應速度；2）同時，加寬耗盡層，也增加載流子漂移的渡越時間，響應速度降低。需要改進PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。2023/12/25131、采用PIN的原因：由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

2、PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

見圖3.20和圖3.21。

3.2.2PIN光電二極管2023/12/2514圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及光強分布

中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，用P+和N+表示。結(jié)構(gòu)：2023/12/2515工作原理：I層很厚，入射光很容易進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對，大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位;同時I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應速度。2023/12/2516

3、PIN光電二極管具有如下主要特性：

(1)光電轉(zhuǎn)換效率和光譜特性。

光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率η或響應度ρ表示。

量子效率η：為一次光生電子-空穴對和入射光子數(shù)的比值

η=光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子—空穴對數(shù)入射光子數(shù)2023/12/2517響應度：為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值

ρ=IP/P0=

ηe/hf

（A/W)

式中，hf為光子能量，e為電子電荷。量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。2023/12/2518圖3-22PIN光電二極管響應度、量子效應率與波長的關系由圖可見，Si適用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs適用于1.3~1.6μm波段。響應度一般為0.5~0.7(A/W)。

量子效率的光譜特性：取決于半導體材料的吸收光譜2023/12/2519

(2)響應時間和頻率特性

光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應能力用脈沖響應時間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。當光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應時間

τ=τr=τf=2.2τ0(3.16)

2023/12/2520

對于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調(diào)制信號，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，

(3.17)

脈沖上升時間τrPIN光電二極管響應時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。當調(diào)制頻率ω與渡越時間τd的倒數(shù)可以相比時，耗盡層(I層)對量子效率η(ω)的貢獻可以表示為(3.18）2023/12/2521圖3.23內(nèi)量子效率和帶寬的關系wfcηwη渡越時間τd

fcηfc相等時，λη2023/12/2522耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴散引起延遲：電流脈沖耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復合，一部分擴散到耗盡區(qū)，被電路吸收。由于擴散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會帶來附加時延，會使輸出電信號脈沖拖尾加長，如圖所示。從而影響響應速度。2023/12/2523

光電二極管在接收機中使用時通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測器的響應特性必然與外電路相關。圖5.5為檢測器電路及其等效電路。2023/12/2524

圖5.5光電二極管電路(a)接收電路；(b)等效電路

其中Cd、Rs、RL分別為檢測器的結(jié)電容、串聯(lián)電阻、負載電阻，CA、RA分別為放大器的輸入電容和電阻。2023/12/2525

(3)噪聲

噪聲直接影響光接收機的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負載上消耗的噪聲功率)來描述。

均方散粒噪聲電流

〈i2sh〉=2e(IP+Id)B(3.21)式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號電流和暗電流。2023/12/2526

式(3.21)第一項2eIPB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產(chǎn)生的。只要有光信號輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它決定光接收機靈敏度的極限。式(3.21)第二項2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關，例如SiPIN，Id<1nA，GePIN

，Id>100nA。2023/12/2527式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，B為放大器帶寬，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+〈i2T〉=(3.23)均方熱噪聲電流:2023/12/2528

圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系

反向偏壓U光電流暗電流輸出光電流I00UB

3.2.3雪崩光電二極管(APD)1、APD的設計依據(jù)

UB為擊穿電壓2023/12/25292、APD的工作原理及結(jié)構(gòu)根據(jù)光電效應，當光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。2023/12/25301.雪崩光電二極管光電轉(zhuǎn)換原理2023/12/2531

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖

雪崩效應2023/12/2532

APD的結(jié)構(gòu)有多種類型，如圖3.26示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。圖3.26APD結(jié)構(gòu)圖2023/12/2533在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應速度快和附加噪聲低等優(yōu)點。2023/12/25343、APD的主要性質(zhì)1）倍增因子由于雪崩倍增效應是一個復雜的隨機過程，所以用這種效應對一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。2023/12/2535

雪崩倍增效應不僅對信號電流而且對噪聲電流同樣起放大作用，所以如果不考慮別的因素，APD的信號電流產(chǎn)生的均方量子噪聲電流為

〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)

這是對噪聲電流直接放大產(chǎn)生的，并未引入新的噪聲成分。

2.過剩噪聲因子

2023/12/2536事實上，雪崩效應產(chǎn)生的載流子也是隨機的，所以會引入新的噪聲成分，并表示為過剩噪聲因子F。F(>1)是雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數(shù)，設F=gx，APD的均方量子噪聲電流應為

〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，