光检测器-PIN光电二极管

       光检测器是把光信号变为电信号的器件,由于从光纤中传输过来的光信号一般是非常微弱且产生了畸变的信号,因此光纤通信系统对光检测器提出了非常高的要求:
       • 在系统的工作波长上要有足够高的响应度,即对一定的入射光功率,光检测器能输出尽可能大的光电流;
       • 有足够高的响应速度和足够的工作带宽,即对高速光脉冲信号有足够的快的响应能力;
       • 产生的附加噪声小;
       • 光电转换线性好,保真度高;
       • 工作稳定可靠,工作寿命长;
       • 体积小,使用简便。
       目前,满足上述要求、适合于光纤通信系统使用的光检测器主要有半导体PIN光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电晶体管等。其中,前两种应用最为广泛。
PIN光电二极管
1.PIN光电二极管
(1)基本原理和结构
      受激吸收是半导体光检测器的基本工作原理。
      半导体光检测器的核心是PN结的光电效应,工作在反向偏压下的PN结光电二极管是最简单的半导体光检测器。
       当PN结上加有反向偏压时(P区加负,N区加正),外加电场的方向和空间电荷区里电场的方向相同,外电场使势垒加强,PN结的能带如图26所示。由于光电二极管加有反向偏压,因此空间电荷区里载流子基本上耗尽了,这个区域称为耗尽区。
       当光束入射到PN结上,且光子能量Hu大于半导体材料的禁带宽度Eg时,价带上的电子可以吸收光子跃迁到导带,结果产生一个电子一空穴对。如果光生电子一空穴对在耗尽区里产生,那么在电场的作用下,电子将向N区漂移,空穴将向P区漂移,从而形成光生电流。
       为了得到高量子效率、提高响应速度,器件一般采用PIN结构。它是在高掺杂P型和N性半导体材料之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料,称为1层。高掺杂的P区和N区非常薄。如图27所示。这种结构使得光子在耗尽区内能够被充分吸收,以利于提量子效率和响应速度。对于InGaAs材料制作的光电二极管,还往往釆用异质结构,从而进一步提高器件的量子效率。 
PN结的能带PIN光电二极管
图 26  PN结的能带          图27    PIN光电二极管
(2)PIN光电二极管的特性
PIN光电二极管的主要特性包括响应度、量子效率、响应速度等。
波长响应范围
       从光电二极管的工作原理可以知道,当光子能量人,大于半导体材料的禁带宽度才能产生光电效应。这一条件限制了光电二极管使用的上限波长人,有
式(9-23)中,上限波长和禁带宽度的单位分别为 μm和eV。上限波长又称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于心时,光电二极管才能产生光电效应。
       另外,由于半导体材料对光的吸收作用是随着波长的减小而迅速增加,当波长较短时,光在半导体材料表面层即被吸收殆尽,使光电转换效应降低。因此,材料对于光的吸收限制了光电二极管使用的下限波长。
       综上所述,PIN光电二极管可以对一定波长范围内的入射光进行光电转换,这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。
响应度和量子效率
响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。响应度定义R为
式(9-24)中,P为入射到光电二极管上的光功率;Lp为光生电流。R的单位为A/W。
量子效率的定义为
响应速度
       作为光检测器,在光纤通信系统中要能够检测高频调制的光信号,因此响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应一电脉冲的上升时间或下降时间。影响响应速度的主要因素有:结电容和负载电阻的RC时间常数、载流子在耗尽区里的渡越时间及耗尽区外产生的载流子的扩散时间。
线性饱和
      光电二极管的线性饱和是指它有一定的功率检测范围,当入射功率太强时,光电流和光功率将不成正比,从而产生非线性失真。一般PIN光电二极管在入射光功率低于mW量级时,能够保持比较好的线性。
线性饱和
击穿电压和暗电流
       无光照射时,PIN作为一种PN结器件,在负偏压下也有反向电流流过,称此电流为PIN光电二极管的暗电流。暗电流是光电二极管的重要参数。暗电流主要是由半导体内热效应产生的电子一空穴对形成的。当偏压增大时,暗电流增大。当偏压增大到一定值时,暗电流激增,即发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿,如不能尽快散热,就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿时的偏压值称为反向击穿电压。
噪声特性
       光电二极管的噪声主要是量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声。
 

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