第六章 光检测器
第六章6.1
光检测器
光电检测器
6.2光信号
光电检测器的特性指标前置放大器 主放大器 均衡器 AGC电路 判决器 时钟提取 时钟提取 数据再生 再生码流
光检测器 偏压控制
前端
线性通道
数字光接收机
第六章 光检测器
6.1 光电检测器光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号
的转换。对光检测器的基本要求是：① 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射 光功率，能够输出尽可能大的光电流；
② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； ⑤ 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD 雪崩光电二极管。
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PN结
内建电场
VCC
耗尽层
当PN结两端加上反向偏置电压 时，耗尽区加宽，势垒加强。
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光电二极管的工作原理当光照射到光电二极管的光敏 面上时，能量大于或等于带隙 能量Eg的光子将激励价带上的 电子吸收光子的能量而跃迁到 导带上，可以产生自由电子空穴对(称为光生载流子)。 电子-空穴对在反向偏置的外 电场作用下立即分开并在结区 中向两端流动，从而在外电路 中形成电流(光电流)。
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6.1.1 PIN光电二极管由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远 离PN结的地方没有电场存在，因此就决 定 了 PN 光 电 二 极 管 ( PN Photodiode, PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率 非常低下及响应速度很慢。
1. PIN光电二极管的结构PIN光电二极管(PINPD)的结构如图6.2所 示。
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耗尽区
图6.2 PIN光电二极管的结构
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PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，
加一层轻掺杂的N型材料，称为I(Intrinsic,本征的)层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽 层，如图6.3(a)所示。这样可以提高其响应速度和转换效
率。结构示意图如图6.3(b)所示。
图6.3 PIN光电二极管
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外加反向偏置电压的pin 光电二极管的 电路示意图
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pin 光电二极管的能带简图，能量大于或等于带隙能量Eg的光 子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以 产生自由电子-空穴对(称为光生载流子)。耗尽区的高电场 使得电子-空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动， 然后在边界处被吸收，从而在外电路中形成电流。
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Eg h hc Eg
图6.4 半导体材料的光电效应
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电子和空穴的扩散长度当电载流子在材料中流动时，一些电子-空穴对会重新复合而 消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp,这个距 离即扩散长度
。
Ln Dn n
1/ 2
, Lp Dp p
1/ 2
其中Dn,Dp为电子和空穴的扩散系数，单位为cm2/s. n , p 为电子和空隙的重新复合所需要的时间(载流子寿命) 在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律
P( x) P0 (1 e s ( ) x )其中 s ( ) 为波长 处的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是通 过距离x后所吸收的光功率。
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不同材料吸收系数与波长的关系特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
材料的截止波长 c由 其带隙能量Eg决定。 若波长比截止波长更 长，则光子能量不足以激 励出一个光子。 此图还说明，同一个 材料对短波长的吸收很强 烈 ( s大) 。而且短波长激 发的载流子寿命较短，载 流子在光检测器电路收集 之前就已经复合了。
光吸收系数 (cm-1)
光子能量增大方向
光穿透深度 (mm)
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特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内，其上 限截止波长为：hc 1.24 c (mm) Eg Eg (eV )
例6.1 有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300k时 其带隙能量为1.43eV,其截止波长为：hc 6.625 10 34 J .s 3 108 m / s c 869nm 19 Eg 1.43eV (1.6 10 J / eV )
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保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防
止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。APD随使用的材料不同有几种：Si-APD(工作在
短波长区);Ge-APD和InGaAs-APD(工作在长波长
区)等。
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6.2 光电检测器的特性指标6.2.1 光电检测器的工作特性1. 响应度在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射 的平均光功率之比称为响应度 ( 或响应率 ) 。响应度可以表示 如下：
式中： Ip 为光生电流的平均值 ( 单位： A);P 为平均入射光功 率值(单位：W)。