《光纤通信》 第4讲光器件课件.ppt

《《光纤通信》 第4讲光器件课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第四讲(2)光电检测器Optoelectronicdetector7/28/20211第五节光电检测器及光接收机光源是光发射机的核心器件，作用EO转换光检测器是光接收机的核心器件，作用OE转换光检测器就是光电二极管PN结型光电二极管PD管；PIN结型光电二极管PIN管；雪崩型光电二极管APD管。研究光接收的主要问题是:1.灵敏度2.噪声7/28/202125.1光电二极管的检测原理光子AKRV真空光电管中的光电效应外电场作用下形成光生电流光电效应optoelectroniceffect由于吸收光子能量引起的材料电特性的改变。在材料中释放电子和其它电荷载流子的现象。在真空光

2、电二极管中，其阴极就是利用光电发射材料制成。当能量为hf的光子照射其阴极，若阴极表面材料吸收的光子能量大于其逸出功，则从阴极表面就有电子发射出来，发射出来的电子在外电压场的作用下射向阳极，形成光生电流。7/28/20213PN结型光电二极管的工作原理在半导体光电检测器件中，为了使电子和空穴分离，通常采用PN结面附近区域产生空间电荷区，形成自建电场，如图所示。当PN结型半导体紧密接触后，P型区的空穴和N型区的电子分别向N型区和P型区扩散，因而在两个区的接触面两侧形成了不存在载流子电子和空穴的区域，这个区域就叫耗尽层。7/28/20214PN结型光电二极管的工作原理光照射到半导体的PN结上，若

3、光子能量足够则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即产生光电子一空穴对。总起来又称光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，如图所示。从而在电阻R上有信号电压输出。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。7/28/202155.2PIN光电二极管PIN光电二极管的产生由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体，称为I层(Intrinsic，本征的)，这种结构便是常用的PIN光

4、电二极管7/28/20216PIN光电二极管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。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，这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图下图所示。PIN光电二极管7/28/202175.2PIN光电二极管中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电

5、流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。7/28/202185.3雪崩型光电二极管(APD管）根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子一空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV／cm以上，电子在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子—空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图。所以这种器件就称为雪崩光电二极管（APD）。7/28/202195.4光电二极管工作特性和参数光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系数及噪声等。这里讨论响应度和

6、量子效率。响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率，其定义为:R=I0/P0式中，P0为入射到光电二极管上的光功率(瓦特)，I0为光电二极管在该入射光功率下产生的光电流，R的单位为A／W,即每单位入射光功率产生的电流值，因而是很有用的参数。此式还表明检测器输出电流正比于输入光功率。7/28/2021105.4光电二极管工作特性和参数量子效率：光电二极管的量子效率η定义为:η=产生的电子数/入射光子数=re/rp式中rp是光子注入率（每秒光子数）re是电子响应率（每秒电子数）。决定量子效率的主要因素是制造光检测器的半导体材料的吸收系数。并非所有注入的光子能被吸收去产生电子空穴对，所以吸收系数

7、总是小于1的，量子效率常以百分数表示。如量子效率为75％就等于每百个光子产生75个电子，由于材料吸收系数随光波长而改变，所以量子效率也是波长的函数，提及它时，应表明它对应的波长。7/28/202111下面导出响应度R和量子效率η之间的关系：已知：η=产生的电子数/入射光子数=re/rp可以写成η=(I0/q)/(P0/hf)=(I0hf)/(qP0)即R=η*(q/hf)=η*(qλ/hc)≌ηλ