3.2半導(dǎo)體光檢測(cè)器原理3版教程

2024/8/1613.2半導(dǎo)體光檢測(cè)器

光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分；

作用：把光發(fā)射機(jī)發(fā)送的攜帶有信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)并放大、再生恢復(fù)為原傳輸?shù)男盘?hào)。

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圖5.1光接收機(jī)組成框圖

光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流是非常微弱的，必須由前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，因此前置放大器的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響非常大；主放大器是為了提供足夠的增益，并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制（AGC)，以使光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持穩(wěn)定；均衡器以及濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大及整形，以提高系統(tǒng)性能。組成：2024/8/163（1）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；（2）具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；（3）具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；（4）具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的不失真；（5）具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求:2024/8/164PIN光電二極管

APD雪崩二極管本節(jié)介紹發(fā)光二極管的工作原理，基本結(jié)構(gòu)和主要特性。光檢測(cè)器的常用類型2024/8/1651、光電二極管的結(jié)構(gòu)和功能

結(jié)構(gòu)：光電二極管是一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管。功能：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。

3.2.1光電二極管(PD)工作原理2024/8/166在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成耗盡層如圖3.19(a)。2、工作過程2024/8/167

圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶圖；中性層耗盡層2024/8/168當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)，便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子-空穴對(duì)。在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。在耗盡層兩側(cè)是沒有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。2024/8/1692024/8/1610當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管(PD)。

2024/8/1611當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)入射光子能量小于Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足

λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，稱為截止波長(zhǎng)。以Si為材料的光電二極管,λc=1.06μm;以Ge為材料的光電二極管，λc=1.60μm。光檢測(cè)器工作過程2024/8/16123、光電二極管的特點(diǎn)利用光電效應(yīng)可以制造出簡(jiǎn)單的PN結(jié)光電二極管,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但響應(yīng)速度慢，器件的穩(wěn)定度較差。原因：1）加偏壓，增加耗盡層的寬度，縮小中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量，提高了漂移量（v漂>>v擴(kuò)）——提高了響應(yīng)速度；2）同時(shí)，加寬耗盡層，也增加載流子漂移的渡越時(shí)間，響應(yīng)速度降低。需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。2024/8/16131、采用PIN的原因：由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

2、PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

見圖3.20和圖3.21。

3.2.2PIN光電二極管2024/8/1614圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及光強(qiáng)分布

中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。結(jié)構(gòu)：2024/8/1615工作原理：I層很厚，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位;同時(shí)I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時(shí)間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。2024/8/1616

3、PIN光電二極管具有如下主要特性：

(1)光電轉(zhuǎn)換效率和光譜特性。

光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率η或響應(yīng)度ρ表示。

量子效率η：為一次光生電子-空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值

η=光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子—空穴對(duì)數(shù)入射光子數(shù)2024/8/1617響應(yīng)度：為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值

ρ=IP/P0=

ηe/hf

（A/W)

式中，hf為光子能量，e為電子電荷。量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。2024/8/1618圖3-22PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系由圖可見，Si適用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs適用于1.3~1.6μm波段。響應(yīng)度一般為0.5~0.7(A/W)。

量子效率的光譜特性：取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜2024/8/1619

(2)響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，分別定義為脈沖上升時(shí)間τr和脈沖下降時(shí)間τf。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)τ0時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間

τ=τr=τf=2.2τ0(3.16)

2024/8/1620

對(duì)于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調(diào)制信號(hào)，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)τ0時(shí)，

(3.17)

脈沖上升時(shí)間τrPIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定。當(dāng)調(diào)制頻率ω與渡越時(shí)間τd的倒數(shù)可以相比時(shí)，耗盡層(I層)對(duì)量子效率η(ω)的貢獻(xiàn)可以表示為(3.18）2024/8/1621圖3.23內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系wfcηwη渡越時(shí)間τd

fcηfc相等時(shí)，λη2024/8/1622耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起延遲：電流脈沖耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收。由于擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會(huì)帶來附加時(shí)延，會(huì)使輸出電信號(hào)脈沖拖尾加長(zhǎng)，如圖所示。從而影響響應(yīng)速度。2024/8/1623

光電二極管在接收機(jī)中使用時(shí)通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測(cè)器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。圖5.5為檢測(cè)器電路及其等效電路。2024/8/1624

圖5.5光電二極管電路(a)接收電路；(b)等效電路

其中Cd、Rs、RL分別為檢測(cè)器的結(jié)電容、串聯(lián)電阻、負(fù)載電阻，CA、RA分別為放大器的輸入電容和電阻。2024/8/1625

(3)噪聲

噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。

均方散粒噪聲電流

〈i2sh〉=2e(IP+Id)B(3.21)式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號(hào)電流和暗電流。2024/8/1626

式(3.21)第一項(xiàng)2eIPB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。式(3.21)第二項(xiàng)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如SiPIN，Id<1nA，GePIN

，Id>100nA。2024/8/1627式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，B為放大器帶寬，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+〈i2T〉=(3.23)均方熱噪聲電流:2024/8/1628

圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系

反向偏壓U光電流暗電流輸出光電流I00UB

3.2.3雪崩光電二極管(APD)1、APD的設(shè)計(jì)依據(jù)

UB為擊穿電壓2024/8/16292、APD的工作原理及結(jié)構(gòu)根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。2024/8/16301.雪崩光電二極管光電轉(zhuǎn)換原理2024/8/1631

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖

雪崩效應(yīng)2024/8/1632

APD的結(jié)構(gòu)有多種類型，如圖3.26示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。圖3.26APD結(jié)構(gòu)圖2024/8/1633在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。2024/8/16343、APD的主要性質(zhì)1）倍增因子由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對(duì)一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。2024/8/1635

雪崩倍增效應(yīng)不僅對(duì)信號(hào)電流而且對(duì)噪聲電流同樣起放大作用，所以如果不考慮別的因素，APD的信號(hào)電流產(chǎn)生的均方量子噪聲電流為

〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)

這是對(duì)噪聲電流直接放大產(chǎn)生的，并未引入新的噪聲成分。

2.過剩噪聲因子

2024/8/1636事實(shí)上，雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機(jī)的，所以會(huì)引入新的噪聲成分，并表示為過剩噪聲因子F。F(>1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為

〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，