第六章 光檢測(cè)器

1、第六章第六章 光檢測(cè)器光檢測(cè)器光檢測(cè)器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號(hào)數(shù)字光接收機(jī)前端線性通道時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生 光電檢測(cè)器能檢測(cè)出入射在其上面的光功率，并完成光光電檢測(cè)器能檢測(cè)出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號(hào)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)； 具

2、有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響； 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真；具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真； 具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，PIN光電二極管和光電二極管和APD雪崩光電二極管。雪崩光電二極管。6.1 光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器 PN結(jié)結(jié)耗盡層內(nèi)建電場(chǎng)VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時(shí)，耗盡區(qū)加寬，勢(shì)壘加強(qiáng)。光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時(shí)，能量大于或

3、等于帶隙能量Eg的光子將激勵(lì)價(jià)帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)（稱為光生載流子）。電子-空穴對(duì)在反向偏置的外電場(chǎng)作用下立即分開(kāi)并在結(jié)區(qū)中向兩端流動(dòng)，從而在外電路中形成電流（光電流）。6.1.1 PIN光電二極管光電二極管由于受激吸收僅僅發(fā)生在PN結(jié)附近，遠(yuǎn)離PN結(jié)的地方?jīng)]有電場(chǎng)存在，因此就決定了PN光電二極管(PN Photodiode，PNPD)或PN光電檢測(cè)器的光電變換效率非常低下及響應(yīng)速度很慢。1. PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)光電二極管的結(jié)構(gòu)PIN光電二極管(PINPD)的結(jié)構(gòu)如圖6.2所示。圖6.2 PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)耗盡區(qū) PIN光電二極管是在摻雜濃度

4、很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層，如圖6.3（a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖6.3（b）所示。圖6.3 PIN光電二極管外加反向偏置電壓的pin 光電二極管的電路示意圖pin 光電二極管的能帶簡(jiǎn)圖，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵(lì)價(jià)帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)（稱為光生載流子）。耗盡區(qū)的高電場(chǎng)使得電子-空穴對(duì)立即分開(kāi)并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動(dòng)，然后在邊界處被吸收，從而在外電路中形成電流。hEggEhc圖6.

5、4 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng) 2/1nnnDL 2/1pppDL )1 ()()(0 xsePxP 電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度當(dāng)電載流子在材料中流動(dòng)時(shí)，一些電子-空穴對(duì)會(huì)重新復(fù)合而消失，此時(shí)電子和空穴的平均流動(dòng)距離分別為L(zhǎng)n和Lp，這個(gè)距離即擴(kuò)散長(zhǎng)度。其中Dn，Dp為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，單位為cm2/s.pn,為電子和空隙的重新復(fù)合所需要的時(shí)間（載流子壽命）在半導(dǎo)體材料中光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律，其中 為波長(zhǎng) 處的吸收系數(shù)吸收系數(shù)，P0是入射光功率，P(x)是通過(guò)距離x后所吸收的光功率。)(s不同材料吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系不同材料吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系 材料的截止波長(zhǎng)c由其帶隙能量Eg決

6、定。 若波長(zhǎng)比截止波長(zhǎng)更長(zhǎng)，則光子能量不足以激勵(lì)出一個(gè)光子。 此圖還說(shuō)明，同一個(gè)材料對(duì)短波長(zhǎng)的吸收很強(qiáng)烈 (s大) 。而且短波長(zhǎng)激發(fā)的載流子壽命較短，載流子在光檢測(cè)器電路收集之前就已經(jīng)復(fù)合了。光吸收系數(shù) (cm-1)光穿透深度 (mm)光子能量增大方向特定的材料只能用于某個(gè)截止波長(zhǎng)范圍內(nèi)例6.1 有一個(gè)光電二極管是由GaAs材料組成的，在300k時(shí)其帶隙能量為1.43eV，其截止波長(zhǎng)為： nmeVJeVsmsJEhcgc869)/106 . 1 (43. 1/103.10625. 619834 特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其上上限截止波長(zhǎng)限截止波長(zhǎng)為：)(24. 1)(eVEE

7、hcmggcm如果耗盡區(qū)寬度為w，在距離w內(nèi)吸收光功率為： )1 (0wsepwP )1)(1 (0fwpRePhvqIs 如二極管的入射表面反射系數(shù)為Rf，其初級(jí)光電流為：6.1.2 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）1. 雪崩倍增原理雪崩倍增原理 APD可以對(duì)初級(jí)光電流進(jìn)行內(nèi)部放大，以增加接收機(jī)的靈敏度。由于要實(shí)現(xiàn)電流放大作用，光生載流子需要穿過(guò)很高的電場(chǎng)，以獲得很高的能量。光生載流子在其耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)激發(fā)出新的電子-空穴對(duì)，新產(chǎn)生的載流子通過(guò)電場(chǎng)加速，導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，從而獲得光生電流的雪崩倍增。雪崩二極管 (APD)設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)：在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱

8、噪聲時(shí)已經(jīng)在高電場(chǎng)的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于顯著提高接收機(jī)靈敏度耗盡區(qū)高阻材料工作過(guò)程工作過(guò)程圖圖6.4 APD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1. 雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型APD和保護(hù)環(huán)型APD。拉通型雪崩光電二極管（RAPD）采用 結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖和電場(chǎng)分布如圖6.5所示。圖6.5（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6.5（b）所示的是將縱向剖面順時(shí)針轉(zhuǎn)90的示意圖。圖6.5（c）所示的是它的電場(chǎng)強(qiáng)度隨位置變化的分布圖。pnp圖6.5 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖 保護(hù)環(huán)型在制作時(shí)淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時(shí)使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 APD隨使用

9、的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）等。 6.2 光電檢測(cè)器的特性指標(biāo)光電檢測(cè)器的特性指標(biāo)6.2.1 光電檢測(cè)器的工作特性光電檢測(cè)器的工作特性1. 響應(yīng)度響應(yīng)度在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示如下：PIp式中：Ip為光生電流的平均值(單位：A)；P為平均入射光功率值(單位：W)。2. 量子效率量子效率響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號(hào)表示：hPe

10、Ip/入射到器件上的光子數(shù)數(shù)通過(guò)結(jié)區(qū)的光生載流子式中：e是電子電荷，其值約為1.610-19G；為光頻。與關(guān)系可以表示為：ehc式中：h是普朗克常數(shù)，c是光在真空中的速度,是光電檢測(cè)器的工作波長(zhǎng)。代入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到：從上式可以看出：在工作波長(zhǎng)一定時(shí)，與具有定量的關(guān)系。24. 1例6.3 能量為1.53x10-19 J的光子入射到光電二極管上，此二極管的響應(yīng)度為0.65A/W，如果入射光功率為10uW，則產(chǎn)生的光電流為：AWWAPIpmm5 . 6)10)(/65. 0(例6.2 有一個(gè)InGaAs材料的光電二極管，在100ns的脈沖時(shí)段內(nèi)共入射了波長(zhǎng)為1300nm的光子6x106 個(gè)，平

11、均產(chǎn)生了 5.4x106 個(gè)電子空隙對(duì)，則其量子效率可以等于：90. 0106104 . 566 幾種不同材料的pin 光電二極管響應(yīng)度和量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線量子效率響應(yīng)度光子能量一定時(shí)，量子效率與光功率無(wú)關(guān)，響應(yīng)度是光功率的線性函數(shù)。0.923. 響應(yīng)速度響應(yīng)速度 光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。它取決于以下三個(gè)因素： 1、耗盡區(qū)的光載流子的渡越時(shí)間； 2、耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時(shí)間； 3、光電二極管以及與其相關(guān)的電路的RC時(shí)間常數(shù)。 影響這三個(gè)因素的參數(shù)有：耗盡區(qū)寬度w、吸收系數(shù)s、等效電容、等效電阻等。ddvwt載流子漂移速度耗盡區(qū)寬度一般在耗盡區(qū)高電場(chǎng)的情況下，光生

12、載流子可以達(dá)到散射的極限速度。例如：耗盡層為10 mm的Si光電二極管電場(chǎng)強(qiáng)度：20000 V/cm電子最大速度：8.4 x 106 cm/s空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s極限響應(yīng)時(shí)間：0.1 ns光載流子渡越時(shí)間耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子光載流子擴(kuò)散時(shí)間耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子p區(qū)或n區(qū)產(chǎn)生的載流子向耗盡區(qū)擴(kuò)散在耗盡區(qū)內(nèi)漂移到電極存在問(wèn)題：較長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間會(huì)影響光電二極管的響應(yīng)時(shí)間解決辦法：盡量擴(kuò)大耗盡層寬度擴(kuò)散速度 漂移速度當(dāng)檢測(cè)器受到階躍光脈沖照射時(shí)，響應(yīng)時(shí)間可使用輸出脈沖的上升時(shí)間r和下降f 時(shí)間來(lái)表示。在理想情況下r = f，但是由于非全耗盡性中載流子擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于漂移速度，

13、使得rf，造成脈沖不對(duì)稱。上升時(shí)間和下降時(shí)間圖圖6.11 10%90%上升時(shí)間和下降時(shí)間非全耗盡型光電二極管的典型相應(yīng)時(shí)間非全耗盡型光電二極管的典型相應(yīng)時(shí)間光電二極管脈沖響應(yīng)1. 為了獲得較高的量子效率，耗盡區(qū)寬度w必須大于1/s (吸 收系數(shù)的倒數(shù))，以便可以吸收大部分的光；2. 同時(shí)如果w較大，會(huì)讓二極管結(jié)電容C變小，于是RLC常數(shù) 變小，從而得到較快的響應(yīng)；3. 但是過(guò)大的w會(huì)導(dǎo)致渡越時(shí)間的增大折衷取值范圍：1/s w 2/s不同參數(shù)條件下，光電二極管的脈沖響應(yīng)帶寬 設(shè)RT是負(fù)載電阻和放大器輸出電阻的組合，CT是光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，則檢測(cè)器可以近似為一個(gè)RC低通濾波器，

14、其帶寬為：TTCRB21例：如果光電二極管的電容為3 PF，放大器電容為4 PF，負(fù)載電阻為1 K歐姆，放大器輸入電阻為1歐姆，則CT = 7 PF，RT =1 K歐姆，所以電路帶寬：如果將負(fù)載電阻降為50歐姆，電路帶寬增加為455 MHz。MHzCRBTT2321 4. APD的倍增因子的倍增因子APD的電流增益，即平均倍增因子M可表示為： 式中：Ip為APD倍增后的光生電流；Ip0是未倍增時(shí)的原始光生電流。若無(wú)倍增時(shí)和倍增時(shí)的總電流分別為I1和I2，則應(yīng)扣除當(dāng)時(shí)的暗電流Id1和Id2后才能求出M。11220ddppIIIIIIM5. 光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲輸出端光信噪比：S/N

15、= 光電流信號(hào)/(光檢測(cè)器噪聲功率+放大器噪聲功率)為了得到較高的信噪比：1. 光檢測(cè)器具有較高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號(hào)功率2. 使光檢測(cè)器和放大器噪聲盡可能的低噪聲來(lái)源)()()(tiItPhvqtipDCph)(22,2tiippinss 信號(hào)功率為P(t)的調(diào)制光信號(hào)落在檢測(cè)器上，則產(chǎn)生的初級(jí)光電流為：對(duì)于pin，均方信號(hào)電流為：222,2)(MtiipAPDss 對(duì)于APD，均方信號(hào)電流為：信號(hào)部分：光生電流信號(hào)對(duì)于一個(gè)調(diào)制指數(shù)為m的正弦輸入信號(hào)，信號(hào)成分為：22222)(pppImti )(2222MFBMqIiPQQ BMFMqIiDDBDB2222 BqIiLDSDS222

16、光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲量子噪聲、光電二極管材料引起的暗電流噪聲暗電流噪聲和由倍增過(guò)程產(chǎn)生的倍增噪聲倍增噪聲。量子噪聲量子噪聲是光電子產(chǎn)生和收集過(guò)程具有的統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)于接收帶寬為B的接收機(jī)，量子噪聲均方根電流和光電流Ip的平均值成正比。其中F(M) Mx是噪聲系數(shù)，它與雪崩過(guò)程的隨機(jī)特性有關(guān)。光檢測(cè)器暗電流暗電流是指沒(méi)有光入射時(shí)流過(guò)檢測(cè)器的偏置電路的電流，它是體暗電流和表面暗電流之和：表面暗電流：表面缺陷、清潔程度等引起的漏電流。體暗電流：pn結(jié)區(qū)熱產(chǎn)生的電子和（或）空穴。()xF MM因子F(M)用于衡量由于倍增過(guò)程的隨機(jī)性導(dǎo)致的檢測(cè)器噪聲的增加。參數(shù)x稱為過(guò)剩噪聲指數(shù)，一般取決于材料，

17、并在01之間變化，x對(duì)于Si APD為0.3，對(duì)InGaAs APD為0.7，對(duì)Ge APD 為1.0。對(duì)于pin光電二極管，F(xiàn)(M)和M都等于1。雪崩倍增噪聲 APD中的雪崩過(guò)程具有統(tǒng)計(jì)特性，不同的光生載流子的放大倍數(shù)可能不同，給放大后的信號(hào)帶來(lái)了幅度上的隨機(jī)噪聲。這里定義F(M)為過(guò)剩噪聲因子，它近似等于：光檢測(cè)器的總均方噪聲電流為：BqIBMFMIIqiiiiLDPDSDBQDSDBQNN2)(2222222222 放大器輸入阻抗一般遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻RL，因此檢測(cè)器的負(fù)載熱噪聲由RL的熱噪聲決定：BRTkiLBTT422 總噪聲其中KB為波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。 InGaAs光電二極管

18、在波長(zhǎng)為1300 nm時(shí)有如下參數(shù)：初級(jí)體暗電流ID = 4 nA，負(fù)載電阻RL = 1000 W，量子效率=0.90，表面暗電流可以忽略，入射光功率為300 nW (-35 dBm)，接收機(jī)帶寬為20 MHz，計(jì)算接收機(jī)的各種噪聲。AWsmsJmCPhcqPhvqPIinininpm282. 0103)/103(10625. 6103 . 1106 . 190. 07834619首先計(jì)算初級(jí)光電流：量子噪聲均方根電流：218661921080. 1)1020)(10282. 0)(106 . 1 (22AHzACBqIipQ例220691921056. 2)1020)(104)(106 . 1 (22AHzACBqIiDDB 光檢測(cè)器暗電流：負(fù)載均方熱噪聲電流為：21862321032310201)293)(/1038. 1 (44AHzkKKJBRTkiLBTW例 (續(xù))LBLDppRTBkBqIBMFMIIqMiNS/42)()(2222小結(jié)：對(duì)于 pin 光電二極管，主要噪聲電