【正文】 成光生電流，光入射功率變化時(shí)光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電流信號（稱為光生電流） 光電二極管的響應(yīng)波長 光電效應(yīng)的發(fā)生是有一定的條件，入射光子的能量小于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 Eg，那么無論入射光多么強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，也就是說，光電效應(yīng)必須足條件 hf Eg或 )(evEgEghcc ???第 87 頁 X 光電二極管的響應(yīng)波長 光電二極管入射光波長太短時(shí)，光變電的轉(zhuǎn)換效率也會大大下降，這是因?yàn)椴牧蠈獾奈障禂?shù)是波長的函數(shù)， 當(dāng)入射波長很短時(shí)，材料對光的吸收系數(shù)變得很大 ，使大量的入射光子在光電二極管的表面層里被吸收，而反向偏壓主要是加在 PN結(jié)的結(jié)區(qū)附近的耗盡層里，光電二極管的表面層往往存在著一個零電場的區(qū)域，在零電場區(qū)域里產(chǎn)生的電子空穴對不能有效地轉(zhuǎn)換成光電流，從而使光電轉(zhuǎn)換效率降低 。 在吸收光子過程中，入射光功率按指數(shù)規(guī)律衰減 ——深入 PN結(jié) x距離后的光功率 ——吸收系數(shù)， 不同的半導(dǎo)體材料，其吸收系數(shù)不一樣，波長越短，吸收系數(shù)越大。 P0——入射的光功率 ? ?xo epxp )(1)( ?????)(xp)(?? m? 某種材料制作的光電二極管，對光波長的響應(yīng)有一定的范圍， Si光電二極管的波長響應(yīng)范圍從大約 ~ ，適用于短波長波段。 Ge和 InGaAs光電二極管的波長的響應(yīng)范圍 ~ ， 適用于長波長波段。 m?m? 光電二極管的響應(yīng)波長 第 90 頁 X 4． 2． 2 PIN 光電效應(yīng) PN結(jié)光生電流主要由耗盡區(qū)電子 ——空穴對在外加電場與自建電場作用下的漂移運(yùn)動形成的。 耗盡區(qū) (有源區(qū) )：漂移運(yùn)動，快 → 極值，電場大； 擴(kuò)散區(qū)： 擴(kuò)散運(yùn)動，慢， 電場為零； m?第 91 頁 X 快的響應(yīng)速度和高的效率 m? 避免光生電子一空穴對在零電場區(qū)里產(chǎn)生 減小零電場 P區(qū)和 n區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)厚度 摻雜很輕的 n層稱作本征 I層，在 I層的兩端做成重?fù)诫s的 P層和 n層（窄、?。?PIN比 PD具有更高的光生電流效率和更高的響應(yīng)速度。 第 92 頁 X 4． 2． 3雪崩光電二極管 APD PIN存在的問題 1。耗盡區(qū)加長，反向偏壓不能加很高，使載流子的漂移時(shí)間長 —— 響應(yīng)速度慢 2。光生電流小，引入放大器的噪聲 ——接收機(jī)信噪比低。 第 93 頁 X APD工作原理 雪崩光電二極管在 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)上已考慮能 承受高反向偏壓 ，在 PN結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)，光生的電子 ——空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時(shí)被 加速而獲得足夠的能量，它們在高速運(yùn)動中與晶體上的原子碰撞，使晶體中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子 ——空穴對，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成 雪崩倍增效應(yīng) ， APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。 4． 2． 4 光電檢測器的主要技術(shù)指標(biāo) ?響應(yīng)度 R 定義一光電檢測器的平均輸出電流 IP與其平均入射光功率 P0之比。 = 是表征光電轉(zhuǎn)換效率高低的一個物理量 )/(0 WApIRop? 入射光功率光生功率光生電流 e – 電子電荷 h – 普朗克常數(shù) f – 光頻 吸收系數(shù) w – 耗盡區(qū)的寬度 r – 光纖入射端面的反射系數(shù)（越小越好） )1)(1( rePhfeI Wop ??? ? ?)1)(1( re W ??? ? ????量子效率（ ） 定義 ——檢測器中產(chǎn)生的電子一空穴對數(shù)與入射的光子數(shù)之比 量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系為： RO= 光電轉(zhuǎn)換效率高。 ?hfpeIop//??入射光子數(shù)光生電子一空穴對數(shù)?)/( WAhfe????? oR?第 97 頁 X ?響應(yīng)時(shí)間或響應(yīng)速度 （輸入光 輸出光生電流） 定義 —— 表示對光信號的反應(yīng)能力，常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示，從接收到光子起到它能夠有光生電流輸出的這段時(shí)間。 – 光電響應(yīng)時(shí)間，由以下三個因素： （ 1） 耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的漂移時(shí)間 電場較低， V與 E成正比，當(dāng) ES=106V/m，速度達(dá)到極限值，不再變化，要使載流子能以極限漂移速度渡越耗盡區(qū)，必須使反向偏壓達(dá)到VESW 第 98 頁 X （ 2） 耗盡區(qū)以外即擴(kuò)散區(qū)以內(nèi)，載流子的擴(kuò)散時(shí)間 擴(kuò)散運(yùn)動速度比漂移運(yùn)動的速度慢得多，未產(chǎn)生光生電流 零電場下擴(kuò)散區(qū)表面產(chǎn)生的電子一空穴對 （ a）復(fù)合 光電效率低 （ b）被電路吸收 先擴(kuò)散到耗盡區(qū)，這部分載流子作擴(kuò)散運(yùn)動的附加時(shí)延會使光電檢測器輸出的電脈沖的下降沿的拖尾加長，影響了光電二極管的響應(yīng)速度。 光電二極管 Cd – 結(jié)電容 A——結(jié)區(qū)面積 ε ——介電常數(shù) w——耗盡區(qū)厚度 Rs – 串聯(lián)電阻，可忽略 Cd 和負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù)限制了器件的響應(yīng)速度。 （ 3 ） 光電二極管及其負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù) RC R L A （ a ）光電二極管接收電路 R S C d R L R 0 C 0 A （ b ）等效電路 wACd??第 100 頁 X ?暗電流 Id 表示無光照射時(shí)出現(xiàn)的反向電流。 主要是由熱激發(fā)而產(chǎn)生的載流子引起的，因此，暗電流與溫度有關(guān)，溫度越高，暗電流越大，暗電流隨溫度變化形成了噪聲。 影 響接收機(jī)性能好壞的重要參數(shù)信噪比 ，其噪聲源（ 1）光電檢測（ 2）前置放大器 ?平均雪崩增益（倍增因子 G） 電流增益系數(shù) G= IG—— 倍增后的總輸出電流的平均值 IP ——初始的光生電流 R —— APD的內(nèi)阻 I—— APD的輸出電流 VB —— APD的擊穿電壓 n —— 某一指數(shù)（常數(shù)） 與 APD的材料、摻雜分布和工作波長等因素有關(guān)，一般為 3~6 nBVIRV )(11??PGIIG ??結(jié)電容 影響光電檢測器響應(yīng)時(shí)間的第三個因素是光電二極管和它的負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù)RC，其中， C包含二極管 PN結(jié)的結(jié)電容 Cd A——結(jié)區(qū)面積 ε ——介電常數(shù) w——耗盡區(qū)厚度 wACd??第 103 頁 X ?過剩噪聲系數(shù) F（ G） 指一次電子 —— 空穴對和二次電子一空穴對的隨機(jī)性造成的附加噪聲（入射在光電檢波器光敏面上的光子產(chǎn)生一次電子一空穴對的隨機(jī)性，指每個一次電子一空穴對產(chǎn)生二次電子一空穴對數(shù)是不能準(zhǔn)確測定的）。 倍增噪聲，互不相關(guān)。 過剩噪聲系數(shù) F（ G） ——空穴對數(shù)， g是隨機(jī)變量又稱為隨機(jī)增益， g的統(tǒng)計(jì)平均值 g等于平均雪崩增益G， g=G， G的平方 g2 = F（ G） G – 平均雪崩增益 Ke—— 空穴／電子碰撞游離概率比 Ke ? ? ? ??????????????? ???? 2111GGKGGFe第 105 頁 X ?過剩噪聲指數(shù) X 將上式 F（ G）簡化， 常采用近似公式： ﹙ g2﹚ ≈G2+x≈〈 g〉 2+X GX或者 〈 g〉 X也可稱為過剩噪聲系數(shù) APD的制作工藝和使用的材料 x： Si — APD x在 ~ Ge — APD ~ InGaAsP— APD ~ 第 106 頁 X 不同材料制作的 APD 和 PIN的性能 檢測器 暗電流 (n A) 量子效率 過剩噪聲指數(shù) X 上升時(shí)間 Si – APD 幾個 n A ( ) 60%左右 ~ （ G=100時(shí) ） 約 300PS Ge – APD 1800n A( ) 70%左右 ~（ G=10時(shí) ） 約 500PS 1nGaAsAPD 50nA( ) 45%左右 ~（ G=10 ） 100~1000PS Ge – PIN 300n A （ 10V偏壓 ） 80%左右 — 約 500PS 1nGaAs – PIN 幾個 n A（ 5V偏壓 ） 70%左右 —— 約 100PS