光电探测器

光电探测器
冯斌 吴志鹏 梅卫龙 陈进
光纤通信系统对光电探测器的要求：
（1）在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光 信号功率，光探测器能输出尽可能的光电流； （2）检测过程中带来的附加噪声尽可能小； （3）响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小； （4）高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径匹配，工作电压 低等。
暗电流
• 在理想情况下，当没有光照射时，光电探测器应无光电流输出。但是 实际上由于热激励、宇宙射线后放射性物质的激励，在无光的情况下， 光电探测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。
• 严格的说，暗电流还包括器件表面的漏电流。暗电流由体内暗电流和 表面暗电流组成。器件的暗电流越小越好。
光电探测器的噪声
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光电探测器原理及结构
• 光电探测器的作用是把接收到的光信号转换成光 电流，其工作原理是基于光电效应来实现的。
• 光电效应：入射光照射到半导体的P-N结上，若光 子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收 光子的能量，从价带越过禁带跃迁到导带，在导 带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电 子-空穴对，导带价带中间的能量间隔称为禁带 （带隙）宽度Eg 。
光电探测器的噪声
• 散弹噪声 源自光的波粒二重性：光子以其统平均值产生随机波动，这种光子
激发产生的电子-空穴对也具有随机波动的特性产生散弹噪声。
2 S
2eIP B
2eId B
式中，I P为产生光电流，I d为暗电流，B为设计的带宽
• 热噪声 负载电阻 内部自由电子或电荷载流子的不规则热骚动引起。是
光电探测器原理及结构
• 光电探测器主要由P-N结（组 件外部电场），耗尽区（组件 内部电场）组成。 P-N结器件 加反向偏置电压，形成耗尽区， 当入射光进入耗尽区，产生电 子-空穴对（光生载流子）， 形成光电流
• 产生光电效应需要一定的条 件：反向偏置电压足够大 （约５～１０Ｖ）；入射光 的光子能量大于或等于禁带 宽度
材料的性质有关，且是波长的函数）
• 光电探测器吸收光功率后产生的一次光电流可表示为：
IP
e
h
P0 1 eW
1 Rf
式中，Ｗ为耗尽区宽度， 为材料界面的菲涅尔反射系数
２
光电探测器的特性
1
响应度
2
量子效率
3
响应时间
４ 暗电流与噪声
响应度与量子效率
1. 响应度：定义为平均输出光电流与平均入射光功率
• 对于某种材料来说要获得高的量子效应，则要有相对较厚的耗尽区，但是较厚 的耗尽区意味着光电效应所产生的电子-空穴对要相对较长的时间才能到达结边 被收集，这样就降低额响应度。
响应时间
3. 响应时间 表征半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。
通常用光检测器受阶跃光脉 冲照射时，输出脉冲的前沿10% 点到90%点之间的时间间隔（即 上升时间）来衡量（如右图）。
• 波长敏感探测器(WS)：用于检测单色光波长或复合光的峰值波 长，光谱分辨率可达0.01nm。
零均值的高斯随机过程，在整个带宽内具有均匀的噪声谱，也即白噪声。
式中，
2 T
4kTB RL
为波尔兹曼常数（k 1.381023 J K ）， 为绝对温度（K）
忽略环境噪声等，可近似计算光电探测器的噪声为散弹噪声与热噪声之和，也即
2
2 S
2 T
3
光电探测器的应用
光电探测器分为光电二极管、雪崩光电管、四象限探测器、 位敏探测波长感应探测器。
之比，即
R Ip P0
A W
2. 量子效率：定义为单位时间内产生的光电子数与入
射光子数之比，表示入射光子转换成光电子的效率。即
通过结区的光生载流子数（光生电子-空穴对数）
入射到器件上的光子数
Ip பைடு நூலகம் P0 hf
显然，响应度与量子效率之间满足关系：
R e h
响应度与量子效率
• 响应度和量子效率都是描述器件光电转换能力的物理量，但是他们分析 的角度不同。响应度是在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率 是器件在内部呈现的微观灵敏特性。
• 光信号入射到探测器上时的随机起伏及光电子产生和收集过程的统计 特征。信号光电流中不但有信号成分，还有噪声成分，这种噪声称为 散弹噪声（量子噪声），它与信号的电平成正比。
• 无光照时光检测机器中流通的暗电流噪声（散弹噪声，受增益影响）。 • 表面漏电流产生的散弹噪声，与倍增过程无关。 • 背景噪声
Eg eV
光电探测器原理及结构
• 为使光功率能够有效的转换成光电流，要求入射光必须在耗尽区内被 半导体材料有效的吸收，因此要求耗尽区要足够的厚，并且材料对入 射光的吸收要足够的大。在厚度为W内被材料吸收的光功率可以表示 为：
PW P0 1 e W
式中， P0 为入射光的的光功率；（）为材料的吸收系数（其大小与
• 光电二极管(PIN)：应用于一般通用场合。针对特殊应用，可以 增加探测器信号放大和探测器前置滤光片。
• 雪崩光电管(APD)：主要用于微弱信号场合，同时具备快速响应 能力，可以提供各种尺寸和封装类型。
• 四象限探测器(Quadrant)：由一个四激活区域的芯片组成，主 要应用于位置传感。
• 位敏探测器(PSD)：入射光能量转换为位置相对的连续电流输出， 位置信号是相对于入射光的“光学中心”。
从上升时间可以看出光检测 器的3dB带宽为（此式不解释）：
Be
0.35
r
光检测器的脉冲响应
响应时间
在接收机中使用时必须与偏置电路及放大器连接，因 此在讨论光检测器的响应时间时必须计及它们的影响，并 且由于光检测器本身的性质以及其外接电路，其响应时间 受多方面因素影响：
影响响应时间的因素主要有： • （1）从光入射光敏面到发生受激吸收的时间； • （2）耗尽区光生载流子的扩散时间； • （3）耗尽区外光生载流子的漂移时间； • （4）雪崩倍增建立时间（仅对于APD）； • （5）光电二极管及与其相关的电路RC时间常数。
光电探测器原理及结构
• 当光照射在某种半导体材料制成的半导体光电二极管上时，若要 有光电子-空穴对产生，必须满足如下的关系：
h Eg
式中，h为普朗克常数（ h 6.6261034 J s）
• Eg代表的是禁带宽度，h 则代表光子的入射能量，于是我们可
以分别推出入射光的截止波长：
c
m
hc Eg
1.24