2-2 光電檢測器件.ppt

1、光纖系統(tǒng)中的光電檢測器,主要內(nèi)容,光電檢測器的特性參數(shù) 光電檢測器的基本工作原理 PIN光電檢測器 雪崩光電檢測器APD,光電檢測器的特性參數(shù),量子效率 響應(yīng)度 光譜響應(yīng) 頻率響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間 噪聲等效功率 探測度,光電子發(fā)射效率 光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 光電磁效應(yīng),光電檢測器的工作原理,光電檢測器的工作原理,光電二極管檢測器是外加反向偏壓的PN結(jié)，當(dāng)入射光作用時(shí)，發(fā)生受激吸收產(chǎn)生 光生電子-空穴對，這些電子-空穴對在耗盡層內(nèi)建電場作用下形成漂移電流，同時(shí)在耗盡層兩側(cè)部分電子-空穴對由于擴(kuò)散運(yùn)動進(jìn)入耗盡層，在電場作用下形成擴(kuò)散電流，這兩部分電流之和為光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線

2、性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。,光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動比漂移運(yùn)動慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時(shí)間， 使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。,光電二極管的工作原理,N,光電二極管工作原理,光敏二極管的分類 按材料 硅光敏二極管 鍺光敏二極管 化合物光敏二極管 按結(jié)特性： PN結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層）、PIN結(jié) 、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié),幾種常見的光敏二極管 肖特基結(jié)光敏二極管： 光

3、敏面小，勢壘電容小，響應(yīng)快，但工藝?yán)щy。 擴(kuò)散層PN結(jié)光敏二極管： 耗盡層厚度小于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長度，工作區(qū)是結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)，光電流主要由擴(kuò)散流引起。,耗盡層型PN結(jié)光敏二極管： 耗盡層厚度大于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長度，光電轉(zhuǎn)換主要在耗盡層內(nèi)，光電流主要由漂移電流引起的。有很高的頻率響應(yīng)。,PIN光電二極管 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(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。 PIN光電二極管中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的

4、P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。I層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子 - 空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。,PIN光電檢測器,PIN光電檢測器的工作原理和結(jié)構(gòu) PIN光電檢測器的主要特性 PIN光電檢測器的一般性能,PIN光電檢測器的工作原理,PIN是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在PN結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體（I層）以擴(kuò)大耗盡層寬度的光電二極管。,PIN型（2

5、DUL型）光電二極管在P、N型之間加進(jìn)了較厚的本征半導(dǎo)體I型層， 內(nèi)電場基本上集中于I層上， PN結(jié)間距拉大，結(jié)電容變小；提高響應(yīng)速度； PIN管結(jié)構(gòu)示意圖,由于耗盡層變寬，從而展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作范圍； 增加了吸收層厚度，改善了對長波光的吸收，提高了靈敏度，增大了長波響應(yīng)率。,PIN的工作原理示意圖,PIN光電檢測器的結(jié)構(gòu),電極,PIN光電檢測器的主要特性,量子效率 光譜特性 （波長響應(yīng)范圍） 響應(yīng)時(shí)間 頻率特性 噪聲特性,量子效率=光生電子-空穴對數(shù)入射光子數(shù)，即 響應(yīng)度 是光生電流 和入射光功率 的比值,波長響應(yīng)范圍 不同半導(dǎo)體材料存在著上限波長即截止波長。 半導(dǎo)體光電檢測器只可以對

6、一定波長范圍的光信號進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換，這一波長范圍就是波長響應(yīng)范圍。 檢測某波長的光時(shí)要選擇合適材料作成的光檢測器。,材料吸收系數(shù)隨波長的變化情況,半導(dǎo)體材料的吸收作用隨波長減小而迅速增強(qiáng)，即材料吸收系數(shù)() 隨波長減小而變大。,噪聲特性,噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管噪聲包括信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲和有負(fù)載電阻和后繼放大器輸入阻抗產(chǎn)生的熱噪聲。通常噪聲用均方噪聲電流描述。,響應(yīng)時(shí)間光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90，或由后沿的90%下降到10%的時(shí)間定義為脈沖上升時(shí)間和脈沖下降時(shí)間。 頻率特性 結(jié)論：減小耗盡層寬度可以減小渡越時(shí)間，從而提高截止頻率，但會降低量子效

7、率。,PIN光電檢測器的一般性能,雪崩光電檢測器APD,APD是具有內(nèi)部倍增放大作用的光電二極管，利用PN結(jié)勢壘區(qū)的高反向電壓下強(qiáng)電場作用產(chǎn)生載流子的雪崩倍增而得到。 APD的工作原理 APD的結(jié)構(gòu) APD的主要特性 APD的一般性能,APD的工作原理,APD是通過在其結(jié)構(gòu)中構(gòu)造一個(gè)強(qiáng)電場區(qū)，當(dāng)光入射到PN結(jié)后，光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對，這些電子-空穴對運(yùn)動進(jìn)入強(qiáng)電場區(qū)后獲得能量做高速運(yùn)動，與原子晶格產(chǎn)生碰撞電離出新的電子-空穴對，該過程反復(fù)多次后使載流子雪崩式倍增。,APD的結(jié)構(gòu),電極,圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖,APD的倍增因子,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。,=,APD光電檢測器的一般性能,影響雪崩光敏二極管工作的因素: ( a) 雪崩過程伴有一定的噪聲，并受溫度的影響較大； (b)表面材料的缺陷使PN結(jié)各電場分布不均，局部先擊穿使漏電流變大，增強(qiáng)了噪聲； （c)工作偏壓必須適當(dāng),光電三極管,在基極與集電極之間接有光電二極管的晶體三極管 工作過程： （1）光電轉(zhuǎn)換 （2）電流放大,六、光電器件的應(yīng)用選擇,光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配； 光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配； 光電檢測器件必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及