光电材料与器件(第三章1)ppt课件.ppt

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1、第三章光电检测器及光接收组件3.1概述3.2光检测器2.2.1PN结的光电效应2.2.2PIN光电二极管2.2.3雪崩光电二极管2.2.4光检测器的特性光接收机：把经光纤远距离传输后的微弱信号检测出来，然后放大再生成原来的电信号，完成通信任务。§3.1概述因此，光接收机的输出特性很大程度上决定了整个光纤通信系统的性能。光纤通信接收机框图(a)模拟接收机;(b)数字接收机光接收机可分两类：模拟接收机和数字接收机模拟接收机和数字接收机均由光检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成。数字接收机比较复杂，在主放大器后还有

2、均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大等电路。光检测器：把接收到的光信号转换成光电流。是光接收机的核心。前置放大器：对光检测器生成的光电流进行低噪声放大。光检测器和低噪声放大器构成接收机前端，其性能的优劣是决定接收灵敏度的主要因素。主放大器：是把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需的电平(1－3V(峰－峰))。其余电路：则对信号进行进一步的处理、整形，以提高系统的性能，最后解调出发送信息。§3.2光检测器光纤通信系统对光检测器的要求：在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大

3、的光电流；响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小；噪声低，器件本身对信号的影响小；体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。光电二极管工作原理：当光束入射到PN结，光子能量大于或等于带隙能量时，价带的电子通过受激吸收跃迁至导带，形成电子-空穴对。当电路闭合时，这些自由载流子的定向流动形成电流。施加反向偏压可以增强光电流。常用光检测器：在光纤通信中，满足上述PN光电二极管要求的光检测器有两种：PIN光电二极管PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）雪崩光电二极管PN光电二极管工作在反向偏压当PN结加反向偏压时，外加电场方

4、向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上被耗尽，形成耗尽区。当光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg的光束入射到PN结上，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。§3.2.1PN光电二极管产生的电子空穴对在内建电场作用下，分别漂移到N侧和P侧，产生比例于照射光功率的电流流动。如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。(b)(c)场强扩散区吸收区耗尽区当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发

5、生，即产生光电效应必须满足：即存在:λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。以Si为材料的光电二极管，λc=1.06μm；以Ge为材料的光电二极管，λc=1.60μm；以InGaAs为材料的光电二极管，限制因素：◆响应速度低◆响应度低克服方法:◆减小p区和n区厚度来减小扩散时间，提高响应速度；◆增大耗尽区长度来提高响应度。(b)(c)场强扩散区吸收区耗尽区电场主要分布在耗尽区，在耗尽区光生载流子做速度很高的漂移运动；在扩散区，场的分布趋于零，载流子做速度很慢的扩散运动，并且电子空穴对的复合时间非常短。1.PI

6、N光电二极管的结构PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低N层，称为本征I层。§3.2.2PIN光电二极管PIN光电二极管结构PIN光电二极管及能带图在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。材料吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此，大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。限制因素：◆耗尽区加宽，反向偏压不能太高，载流子的漂移时间势必要拉长，影响响应速度的进一步提高

7、；◆PIN产生的光生电流仍然是很微弱的，响应度比较低。采用双异质结设计能显著提高二极管的性能带隙的选取时光仅在I吸收。对于InP：在两侧InP层，在1.3μm～1.65μm范围内是透明的。对于InGaAs：在中间InGaAs层，在1.3μm～1.65μm范围内有很强的吸收。?由于光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了扩散分量。采用几微米厚的InGaAs，量子效率可接近100%。雪崩倍增效应：当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的

8、原子电离，激发出新的电子—空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子。经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。§3.2.3APD光电二极管保护环型APD：优点：具有很高的响应度。缺点：增益对温度变化很敏感。其雪崩增益与反向偏压间的非线性关系非常突出。要想得到足够大的增益，GAP