第6章 光电检测器与光接收机 19 35 ppt课件.ppt

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1、第六章光电检测器与光接收机6.1光电检测器6.2光电检测器的特性指标6.3光接收机6.4光接收机的噪声6.5光接收机的灵敏度2021/10/21光电检测器是利用半导体材料光电效应实现光电转换，将接收到的光信号转换成电流信号，基本机理是光的吸收。当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导体材料上，若光子被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，若此时在半导体材料上加上电场，电子-空穴对就会在半导体材料中渡越，形成光电流，如下图所示。但当入射光子能量h小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件：h≥Eg即光频＜c=Eg/h的

2、入射光不能产生光电效应，将c转换为波长则c=hc/Eg。即只有波长＜c的入射光才能使这种材料产生光生载流子，故c为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截止波长，相应的c称为截止频率。6.1光电检测器2021/10/22半导体材料的光电效应(b)(a)左侧入射的信号光透过重掺杂的P+区进入耗尽区，当PN结上加反向偏置电压时，耗尽区内受激吸收生成的电子-空穴对分别在电场的作用下做漂移运动，电子向N区漂移，空穴向P+区漂移，从而在外电路形成了随光信号变化的光生电流信号。耗尽区的宽度由反向电压的大小决定。2021/10/23对光检测器的基本要求：在系统的工作波长

3、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；波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容;具有足够快的响应速度和足够宽的工作带宽，能适用于高速或宽带系统；具有尽可能低的附加噪声，以降低器件本身对信号的影响和能够接收极微弱光信号;具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中不失真;工作性能稳定，可靠性高、工作寿命较长;功耗和体积较小等。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。2021/10/246.1.1PIN光电二极管1.PIN光电二极管结构PIN光检测器也称为PIN光电二极管PINPD(PINPhotodiode)，

4、PIN的意义是表明半导体材料的结构，它是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间插入了一层轻掺杂的N型半导体材料(如Si)，称为I(Intrinsic)层。由于受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PNPD或PIN光电检测器的光电变换效率较低及响应速度较慢。其结构如右图所示：PIN光电二极管2021/10/252.PIN光电二极管的工作原理当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区(高场区)及耗尽区附近产生受激吸收现象，从而产生电子空穴对并形成光生电流。上图中，入射光从P+区进入后不仅在耗尽区被吸收，在耗尽区外也被吸收(这部

5、分形成光生电流中的扩散分量)。P+区电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过耗尽区才能到达N区。同样，N区的空穴也是要扩散到耗尽区的右边界后才能通过耗尽区到达P+区。将耗尽区中光生电流称为漂移分量，它的传送时间主要取决于耗尽区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所需时间长，结果使光检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。2021/10/26设耗尽区宽度为w，载流子在耗尽区的漂移时间可由下式计算：ttr=w/vd式中：vd是载流子的漂移速度；ttr的典型值为100ps。如果耗尽区的宽度较窄，大多数光子尚未被耗尽区吸收，便已经到达了N

6、区，而在这部分区域电场很小，无法将电子和空穴分开，导致量子效率降低。PN结耗尽区实际上可等效成电容，它的大小与耗尽区宽度的关系如下：Cd=A/w式中：为半导体介电常数；A为耗尽区的截面积。Cd的典型值为1～2pF。可见，耗尽区宽度w越窄结电容越大，电路的RC时间常数也越大，不利于高速数据传输.2021/10/27考虑到漂移时间和结电容效应，PIN的带宽可表示为：式中：RL是负载电阻。由上述分析可知，增加耗尽区宽度是必要的。由前图可见，I区的宽度远大于P+区和N区宽度，所以在I区有更多的光子被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以

7、取较小的值，因为其耗尽区厚度基本由I区的宽度决定。但I区的宽度也不是越宽越好，由上式知，宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同。例如SiPIN光吸收系数比InGaAsPIN小两个数量级，所以它的本征区宽度大约是40m，而InGaAsPIN本征区宽度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检测器带宽和使用的光波段范围不同，SiPIN用于850nm波段，InGaAsPIN则用于1310nm和1550nm波段。2021/10/286.