【正文】 所以，光電轉(zhuǎn)換效率又可寫成 也可直接用 響應(yīng)度 表示光電轉(zhuǎn)換效率 那么，如何才能得到高量子效率呢？ ? ? ? ? ? ?111 e x p 1 e x pp i neI R P w whR w w???? ? ? ? ????? ，是 入 射 表 面 反 射 率 ， 是 零 電 場 的 表 面 層 厚 度 ， 是 耗 盡 區(qū) 的 厚 度? ? ? ? ? ?11 e x p 1 e x pR w w? ? ?? ? ? ? ?????? ? A / W m A / m W A / WpinI ePh? ????? ? ? ， ，2022/4/13 167。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 1. PIN光電二極管工作原理 入射光從 P側(cè)進(jìn)入（ P區(qū)非常薄，對入射光幾乎是透明的），在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的光生電子 空穴對在內(nèi)建電場作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動，形成光生電流 。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 此動畫為 PIN光電二極管工作原理 動畫。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個很寬的耗盡層。 2022/4/13 167。 半導(dǎo)體光電二極管的響應(yīng)波長： λminλλmax。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 光電二極管除了截止波長外，當(dāng)入射光波長太短時，光電轉(zhuǎn)換效率會大大下降。即只有波長 λ＜ λc 的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故 λc 為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的 最大波長 ，又稱為 截止波長 ，相應(yīng)的υc 稱為 截止頻率 。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 2022/4/13 167。 光電檢測器是 外加反向偏壓的 PN結(jié) ，當(dāng)入射光作用時， 若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶， 發(fā)生受激吸收產(chǎn)生 光生電子 空穴對 （光生載流子）， 在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴， 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。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 一、光電二極管的工作原理 光電二極管對應(yīng)受激吸收。 目前在光纖通信系統(tǒng)中，常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，一種是 PIN光電二極管 ，另一種是 APD（雪崩） 光電二極管 。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 光電檢測器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個部件，由光纖傳輸來的光信號通過它轉(zhuǎn)換為電信號。 8. 時鐘提取 /時鐘恢復(fù) 同步脈沖提取，以供在準(zhǔn)確時刻抽樣判決。 41 概述 6. 譯碼器 如果發(fā)射端進(jìn)行線路編碼、擾碼，在接收端需要有相應(yīng)的譯碼 /解擾電路。判決時刻，被判碼元的瞬時值最大，而相鄰碼元在此時刻的瞬時值為 0。 41 概述 4. 均衡濾波 減小噪聲，克服、消除放大器及其他部件 (光纖 )引起的信號波形失真，使噪聲及碼間干擾降到最低，對失真的信號進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號波形供正確判決。 3. 主放大器 把前端輸出的信號放大到后繼電路需要的電平，即保證增益 /提供足夠的增益。 41 概述 2. 前置放大器 低噪聲放大器， 改善信噪比 ，其噪聲對整個放大器的輸出噪聲影響很大，影響光接收機(jī)的靈敏度。A量級。 41 概述 二、數(shù)字光接收機(jī)的主要組成 數(shù)字光接收機(jī)可以分為圖中的 8個部分 ，或者分為三大塊 。 41 概述 一、光纖通信對光電檢測器的要求 1. 波長響應(yīng)應(yīng)在光纖通信窗口，即對一定的光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 2. 響應(yīng)度要高，光電轉(zhuǎn)換效率要高，輸出電流大； 3. 噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號； 4. 響應(yīng)速度要快，常用對光脈沖的響應(yīng)的上升或下降沿表示，反應(yīng)了光信號的反應(yīng)能力； 5. 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積?。? 6. 對工作溫度的變化不敏感； ，保證光電轉(zhuǎn)換過程不失真。 光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)： 靈敏度和動態(tài)范圍，其中最主要的是 靈敏度， 光檢測器是光接收機(jī)的 核心部件 ；接收機(jī)理論中，中心問題就是如何降低輸入端的噪聲、提高接收靈敏度。 第四章的主要內(nèi)容 2022/4/13 167。 44 光接收機(jī)的靈敏度 ； ?167。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 ； ?167。 第四章 光接收機(jī) 2022/4/13 2022/4/13 ?167。 41 概述 ； ?167。 43 光接收機(jī)的前端及噪聲 ； ?167。 45 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù) ； ? 本章思考題 。 41 概述 光接收機(jī)的作用： 探測經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號，并進(jìn)行放大、再生，恢復(fù)原始信號。 處理電路 電信號 放大 2022/4/13 167。 2022/4/13 167。 1. 光檢測器 完成光電轉(zhuǎn)換，然后送入前置放大器，但是光電流非常小，在 nA~181。 η↑， N↓， τ ↓ 前端 線性通道 判決再生（數(shù)據(jù)恢復(fù)） 2022/4/13 167。輸出毫伏級的電壓。 2022/4/13 167。 5. 判決器 設(shè)置判決電平，使放大器送過來的輸入信號與判決門限電平比較。 2022/4/13 167。 7. AGC電路 通過 AGC電路實(shí)現(xiàn)自動增益控制，使輸出信號在一定范圍內(nèi)不受輸入信號變化的影響，保證主放大器的動態(tài)范圍。 2022/4/13 167。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 2022/4/13 2022/4/13 167。在反向偏壓作用下半導(dǎo)體 PN結(jié)的光電效應(yīng)。 2022/4/13 167。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 二、光電二極管的波長響應(yīng) 由光電效應(yīng)可知，當(dāng)入射光子能量 hυ 小于禁帶寬度 Eg時，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足條件 hυ≥Eg，即光頻 υc＜ Eg /υ的入射光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，對應(yīng)的波長為λc=hc/Eg =。 ? ? ? ? ? ?01 xP x P e ?????? ? ??? ， 是 材 料 的 吸 收 系 數(shù) ， 是 波 長 的 函 數(shù)2022/4/13 167。 經(jīng)過 x距離后光信號被吸收的光功率為 入射光波長很短時，材料的吸收系數(shù)很大，結(jié)果使大量的入射光子在光電二極管的表面層就被吸收。 Si光電二極管： ~； Ge和 InGaAs光電二極管：~； InGaAsP： ~。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 三、 PIN光電二極管 PIN光電二極管 是在 摻雜濃度很高 的 P型、 N型半導(dǎo)體之間加一層 摻雜濃度非常低 或 不摻雜 的 N型本征半導(dǎo)體材料，稱為 I（ Intrinsic，本征的）層。 2022/4/13 167。 //pinp inIePhIP? ???光 生 電 子 空 穴 對 ，入 射 光 子 數(shù)是 光 生 電 流 ， 是 入 射 的 光 功 率2022/4/13 167。 2. PIN光電二極管的特性參數(shù) （ 1）光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)度 2022/4/13 167。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 得到高量子效率應(yīng)可以采取的措施： ?減小入射面的反射率； ?盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)充分地被吸收。但是，耗盡區(qū)越寬，光生載流子漂移渡越反向偏置結(jié)的時間就越長。 ? ? ? ? ? ?11 e x p 1 e x pR w w? ? ?? ? ? ? ?????2022/4/13 167。假設(shè)僅僅在耗盡區(qū)中（ I層）吸收的光子才能有效地轉(zhuǎn)換成光電流。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 （ 2）響應(yīng)速度 /響應(yīng)時間 響應(yīng)速度： 半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)， 是光電二極管的另一重要參數(shù)，用響應(yīng)時間或響應(yīng)帶寬表示。 擴(kuò)散引起拖尾 10%高度 90%高度 02 . 2rf? ? ? ?? ? ?響 應(yīng) 時 間2022/4/13 167。 響應(yīng)帶寬定義： 探測器帶寬通常定義為輸出信號下降到功率的3dB處的頻率。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 實(shí)際上， τr≠τ f。 ?載流子在耗盡區(qū)里的渡越時間 τd 涉及到時間和效率的問題 ， τd作為上升時間的一部分 ， 是因?yàn)槲展庾雍笮纬呻娏魃行枰欢螘r間 。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 為減小 τr ，可以減小耗盡層寬度，然而耗盡層的寬度過小將導(dǎo)致量子效率下降。 ?耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時間延遲。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 （ 3）暗電流 理想條件下，當(dāng)沒有光照射時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。嚴(yán)格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流 。 2022/4/13 167。噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的 散粒噪聲 （ shot noise），以及由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的 熱噪聲 。 →功率 噪聲等效功率 NEP： 是指產(chǎn)生等于探測器或接收機(jī)均方根噪聲的電流所需的輸入功率。 2022/4/13 167。 均方散粒噪聲電流： 入射光功率產(chǎn)生的光電二極管電流為 I(t)=Ip+is(t) 其中， is(t)是散粒噪聲的電流起伏，與之有關(guān)的均方散粒噪聲電流為 is2(t)=2eIpB， B是放大器的帶寬 當(dāng)暗電流 Id的存在不可忽略時，均方散粒噪聲電流為 is2(t)=2e(Ip+Id )B 2022/4/13 167。只要有光信號輸入就有量子噪聲。 ?2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲，暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)， Si光電二極管的 Id1nA，而 Ge光電二極管的 Id約為 100nA~幾百 nA。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 均方熱噪聲電流： iT2(t)=4kTB/R， R是負(fù)載電阻與放大器輸入電阻的并聯(lián)（ =RL∥ Ri ）。 ?缺點(diǎn)： 沒有倍增效應(yīng)。 2022/4/13 167。 入射光 —?? 一對 電子 空穴對 (一次光生電流 )—? ? ? 與晶格碰撞電離，產(chǎn)生雪崩增益 ? ?多 對 電子 空穴對 (二次光生電流） 吸收 外電場加速 2022/4/13 167。 第一級： 耗盡層仍為 I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對的作用。 N + P π P + 電場 E 高電場區(qū) 耗盡區(qū) + 雪崩區(qū) 雪崩電離需要 的最小電場 2022/4/13 167。 2022/4/13 167。 2022/4/13 167。 平均雪崩增益倍增因子： G=IM/Ip 其中， Ip是雪崩之前的初始光生電流， IM是雪崩增益后輸出的平均光生電流。 PIN光電管因無雪崩倍增作用，所以 G=1。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 倍增因子與反向偏壓的關(guān)系： 式中， Rs是 APD串聯(lián)電阻或 APD的體電阻； n是材料的結(jié)構(gòu)系數(shù)，一般為 3~6。 42 半導(dǎo)體光電檢測器 （ 2）過剩噪聲 /附加噪聲 PIN光電二極管的噪聲主要是量子噪聲和暗電流噪聲， APD管還有過剩噪聲 。