【文章內(nèi)容簡介】 接受光能而激發(fā)到高能態(tài)上。也就是說，半導體中被原子束縛的載流子吸收光后能激發(fā)成為自由載流子。這種現(xiàn)象稱為光電效應。半導體光檢測器完成光電轉(zhuǎn)換就是基于這種光電效應。 第 3章 光通信器件 59 光電二極管（ PDphotodetector） 最簡單的光檢測器，利用半導體 PN結的 光電效應 實現(xiàn)。 光電效應： 由于光的受激吸收將價帶的電子激發(fā)到導帶產(chǎn)生光生載流子，受內(nèi)建電場的作用， 光生載流子的電子 向 N區(qū)漂移，空穴向 P區(qū)漂移，在 PN結兩邊形成電動勢 ,外部有回路時，則產(chǎn)生光生電流。 PNdViE耗盡區(qū) PN光 耗盡區(qū)的內(nèi)建電場將阻止多數(shù)載流子繼續(xù)向?qū)Ψ綌U散，達到了平衡狀態(tài)。 在足夠強的光照射下，產(chǎn)生光生載流子，由于其運動，在結區(qū)形成光生電場和光生電動勢。 第 3章 光通信器件 60 PN結的反偏作用： 加大耗盡區(qū)的寬度，加強漂移電流的影響 ，減少擴散電流的比例，但降低了響應速度。同時，提高了電光轉(zhuǎn)換效率。 PN光 dVV?若不加反向偏置，光生電場與內(nèi)建電場相抵消，耗盡區(qū)消失，光生電子與空穴不斷復合消失，不能形成外部電流。 第 3章 光通信器件 61 PIN光電二極管 雖然 P－ N結有光電效應，實際上卻并不適合做光纖通信檢測器。因為這種簡單的結構沒法減低暗電流和提高響應率，器件的穩(wěn)定性也很差。 PIN光電二極管改進了 P－ N結的結構，它在 P型層和 N型層之間夾有一本征半導體 I層（ intrinsicsemiconductor），形成了 P－ I－ N結構而得名。 第 3章 光通信器件 62 特點： I區(qū)的耗盡區(qū)很寬，入射光很容易產(chǎn)生光生電子空穴對，形成飄移電流；提高了 響應速度 。另外， I區(qū)的吸收系數(shù)小 , 因而 光電轉(zhuǎn)化效率 高 圖 PIN－ PD的應用電路 第 3章 光通信器件 63 優(yōu)點： (1)I區(qū)比 P區(qū)、 N區(qū)厚許多。由圖 ，入射光能在較寬的范圍內(nèi)激發(fā)出載流子，使產(chǎn)生載流子的機會增加，因而提高了器件的響應率。 (2)整個 I區(qū)內(nèi)有電場，光生載流子獲得較擴散速度快得多的漂移速度奔向電極形成外部電流，因此它的響應速度提高了。 (3)耗盡區(qū)拉寬，使結電容減小，有利于高頻響應。如圖 的 PIN光電二極管的等效電路所示， Cj減小時，光電流 Ip中的高頻成分旁路作用減少，因而提高了器件的頻率響應。圖中，Rj為結區(qū)漏電阻； RS為結區(qū)和引線的串聯(lián)電阻； RL為負載電阻。 第 3章 光通信器件 64 圖 PIN－ PD的等效電路 第 3章 光通信器件 65 表 3. 7 長波長 I n Ga A s PIN 的參數(shù) 指標 參數(shù)名稱 最小值 典型值 最大值 響應波長（ μ m ） 響應度（ A/W ） 暗電流（ nA ） 5 響應時間（ ns ） 光敏面（ μ m ） Φ 90 工作電壓（ Vo ） 5 第 3章 光通信器件 67 雪崩光電二極管 將光電二極管的反偏壓不斷增加， P－ N結內(nèi)的電場增高，光生載流子漂移速度加快，當電場增高到一定值時，高速漂移的載流子從晶格中碰撞出“二次電子”，二次電子與原電子又加速碰撞出更多的電子，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。它是一種連鎖式反應，導致載流子雪崩式的猛增，外部電路的光電流相應地增大，這就是雪崩倍增機原理，也就是雪崩光電二極管（ APD）的工作原理。 第 3章 光通信器件 68 APD 高電場 光 一次電子 第 3章 光通信器件 69 表 3 . 8 長波長 Ge A P D 參數(shù)名稱 測試條件 額定值 響應波長（ 181。 m ） ～ 量子效率 η （ % ） λ = 1 . 3 ～ 1 . 5 5 181。 m 70 ～ 80 過剩噪聲指數(shù) x λ = 1 . 2 8 181。 m G = 1 0 7 ～ 9 響應時間（ ns ） 光敏面（ 181。 m ） Φ 90 暗電流（ nA ） V B =35 ～ 4 5 V 300 ～ 1 0 0 0 第 3章 光通信器件 70 表 3 . 9 長波長 I n G a A s APD 參數(shù) 名稱 指 標 最小值 典型值 最大值 響應波長（ 181。 m ） 1 響應度（ A/W ） λ = 181。 m 過剩噪聲系數(shù) F （ G=10 ） 6 倍增因子 G 10 響應時間（ ns ） 第 3章 光通信器件 71 光檢測器的特性 R 在給定波長的光照射下，光檢測器輸出的平均電流與入射的光功率平均值之比稱響應率或響應度。簡言之，響應度為輸入單位光功率產(chǎn)生的平均輸出電流， R的單位為 A/W或μA/μW PIR P?（ 3－ 2） 式中： IP為光電流的平均值； P為入射光功率平均值。 一般， PIN－ PD和 APD的響應率為 ～ 。習慣上將 APD的響應率與倍增因子的乘積定義為 APD的靈敏度。對無倍增因子的光電二極管靈敏度與響應率是一個含義。 第 3章 光通信器件 72 η 響應率是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，量子效率是內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率是能量為 hv的每個入射光子所產(chǎn)生的電子 空穴載流子對的數(shù)量 %100?? 入射帶器件上的光子數(shù) 對數(shù)通過結區(qū)的光生載流子? 100%R hce? ???（ 3－ 3） （ 3－ 4） 式中： e是電子電荷； v為光頻。 第 3章 光通信器件 73 已知 R=IP/P，所以 η與 R可以相互換算（以 v=c/λ代入） （ 3－ 5） 按現(xiàn)有水平制作的光電二極管，入射 100個光子可產(chǎn)生30～ 95個電子 空穴對，所以 η在 30%～ 95%之間。 η與 R都與波長 λ有關。若將 h、 c、 e的常數(shù)代入，且未知波長 λ以 μm值代入，可獲得 R和 η的實用公式 )/(%WARR????????????????（ 3－ 6） （ 3－ 7） )/( WAhce ????? ?R 第 3章 光通信器件 74 制作一個高量子效率或高響應率的光電二極管需要注意以下三個方面： (1)光敏面要做的很薄。因為光敏面是高摻雜的材料，這里產(chǎn)生的光生載流子需要在零場區(qū)經(jīng)過緩慢擴散，才能達到耗盡區(qū)成為外部光電流，一些載流子在擴散過程中常常被復合而消失。極薄的光敏面可使光生載流子復合的機率減小，大部分能順利地到達耗盡區(qū)，從而提高了量子效率。 第 3章 光通信器件 75 (2)耗盡區(qū)要足夠?qū)挘@是因為入射的全光程都能產(chǎn)生載流子。在 17μm。因此，按圖3－ 18的 Si－ RAPD結構中，（ N+Pπ）三層的厚度總和應大于 17μm，才能保證全光程產(chǎn)生載流子。如果厚度小了，量子效率降低。一般 π區(qū)需取 30～ 50μm。 (3)為了減小光敏面的光反射損失，可在其表面鍍一層抗反射膜（增透膜），以提高量子效率。 第 3章 光通信器件 76 光檢測器響應度是與工作波長有關的。由光電轉(zhuǎn)換原理可知，對于禁帶寬度 Eg=E2E1的半導體材料，只有在光子能量 E=hvEg時，才能使電子由價帶躍遷到導帶，從而產(chǎn)生光電效應。 vλ=c， v=c/λ =E=hv=hc/λ。 當 λλc時， EEg，就不能產(chǎn)生光電效應了。 λc —— 光檢測器的波長（注意不要與單模光纖的截止波長相混淆。光檢測器的截止波長對應于產(chǎn)生光電效應臨界點；而單模光纖的截止波長對應于單模傳輸?shù)呐R界點）。 第 3章 光通信器件 77 (1)λλc，響應度下降。 (2)λλc ，半導體材料有吸收作用。波長越短，吸收越嚴重，結果使大量的入射光子不能深入到耗盡區(qū)的內(nèi)部，在光電二極管的表層就被吸收了。又因反向偏壓主要加在 PN結附近的耗盡區(qū)，表層往往存在一個零電場區(qū)域，在這個區(qū)域里產(chǎn)生的電子空穴對不能有效轉(zhuǎn)換成光電流。因此，光電轉(zhuǎn)換效率將隨波長變短大大下降。 圖 量子效率與波長的關系 第 3章 光通信器件 78 不同的材料能級結構不一樣，禁帶寬度 Eg也不一樣，截止波長 λc就各不相同。例如， Ge材料 λc≈， Si材料λc≈。 長波限取決于禁帶寬度，短波限取決于吸收系數(shù)，長波限與短波限之間就是器件的光譜響應范圍。所以某種特定半導體材料制造的光檢測器，只能檢測某個波長范圍的光信號（在這個范圍內(nèi)， R近似為一個常數(shù)，光電流 Ip是正比于光功率 P的），而用不同的半導體材料制作的光檢測器具有不同的光譜效應。例如， Ge： λ=， R=； InGaAs：λ=， R=。 第 3章 光通信器件 79 響應速度 (或響應時間 )：光電二極管對光信號變化的反應速度 圖 光電二極管的響應時間 上升時間：輸出電脈沖前沿的 10%上升到 99%所需的時間 下降時間：而將后沿的 99%下降到 10%所需的時間。 響應時間越短，響應速度越快，反之亦同。響應時間長短直接影響光電二極管所能接收的最高傳輸速率，因此越短越好。光電二極管具有一定的響應時間是因為光生載流子的產(chǎn)生、移動和復合等都需要一定的時間，所以響應時間取決于耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的漂移時間、 P區(qū)內(nèi)和 N區(qū)內(nèi)光生載流子的擴散時間及 P－ N結的結電容和外電路的負載電阻。 第 3章 光通信器件 80 提高光接收機的靈敏度可從提高信噪比（ S/N）著手，S/N的定義為 SN ?檢 測 器 接 收 到 的 信 號 功 率檢 測 器 與 前 置 放 大 器 噪 聲 功 率 總 和 PIN光電二極管具有很低的噪聲，但它不能放大信號，S/N不大。雪崩光電二極管雖然噪聲較大，但它的內(nèi)部增益有利于提高 S/N，所以較多地被采用。 第 3章 光通信器件 81 雪崩光電二極管 APD器件有放大作用，其放大作用用倍增因子 G dpdpppsIIIIIIG倍增前總的暗電流倍增前的總電流倍增后總的暗電流倍增后的總電流倍增前的電流信號倍增后的電流信號????0（ 3－ 8） 對突變結 APD，倍增因子可用下式表示 : 111nBVGV????????? ????????（ 3－ 9） 式中 :G為倍增因子； V1為反向工作電壓； VB為擊穿電壓； n是一個與材料性質(zhì)、器件結構、輻射條件有關的指數(shù)，其值小于 1，由經(jīng)驗決定。 第 3章 光通信器件 82 設在工作電壓下，當 Idp《 IppIRVB時，經(jīng)過不太復雜的推導，得最大倍增因子表示式近似為 RnIVGppB?m ax(3－ 10) 公式表明： m a xG 與 BV 成正比，擊穿電壓增大， m a xG 增大； m a xG與RI PP成反比 , I pp R 增大，m a xG減小。 式中， V B 為雪崩擊穿電壓； I pp 為倍增前的總電流； R 為負載電阻 R 。和二極管內(nèi)阻 R 。之和；m a xG為 最大 倍增因子。 第 3章 光通信器件 83 暗電流：光電二極管在反偏狀態(tài)下，無光入射時器件輸出的反向直流電流。 暗電流是器件處于反偏下的電流，因此數(shù)量級很?。ㄒ话銥?nA量級）。但它帶來的噪聲位于光接收機的最前端，其影響是不能忽視的。顯然，暗電流越小越好。 Ge材料通常達到幾百納安，而 InGaAs材料暗電流較小。 溫度變化對 APD暗電流的影響顯著。暗電流的增大將使接收機的靈敏度下降。普通光電二極管的暗電流很小，只有幾個納安。 第 3章 光通信器件 84 SiPIN和 APD用于短波長 ()光纖通信系統(tǒng) 。 InGaAs PIN用于長波長 ( μm和 μm)系統(tǒng) . 光電二極管一般性能和應用 APD ：用于靈敏度要求較高的地方，有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離 ,但需要較高的偏置電壓和復雜的溫度補償電路 , 造價高 . PIN：靈敏度要求不高的地方， 便宜 實用中 ,通常把它和使用場效應管 (FET)的前