第4章 光检测器和光接收器

M

1 1 (V / VBR
)n
（4.1.7）
式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半
导体材料，该值从70～200V不等；V为反向偏置电压，一般取其为VBR的80%～90%。
APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。
4.2 光检测器的特性参数 4.2.1 光检测器性能参数
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Si PIN光吸收系数比InGaAs PIN小两个数量级，所以它的本征区宽度大约是
40m，而InGaAs PIN本征区宽度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检
Mq
h

MRPIN
APD光检测器的响应度在0.75～130之间。
3．响应光谱
为了产生光生载流子，入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度，即满足条件
h Eg
（4.2.5）
常用半导体材料的禁带宽度和对应波长见表4.1。
表4.1 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长
半导体材料 Si
半导体材料 Ge
式（4.2.5）也可以表示成


hc Eg
c
（4.2.6）
式中，c称为截止波长。也就是说，对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波 长的光才能被检测到，并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性被
称做响应光谱。所以光检测器不具有通用性，各种材料的响应光谱不同。常用的光
电半导体材料有Si，Ge，InGaAs，InGaAsP，GaAsP等，图4.2.1示出了几种材料的响
原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃 迁到导带上去，于是就产生新的电子-空穴对，新产生 的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。这些二次载流子 同样能在强电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新 的电子-空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过 程。也就是说，一个光子最终产生了许多的载流子，使 得光信号在光电二极管内部就获得了放大。
4.1.1 PIN光检测器 PIN光检测器也称为PIN光电二极管，在此，PIN的意义是表明半导体材料的结构，P+ 和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料（如Si），记为I，称为 本征区，如图4.1.2所示。
图4.1.2 PIN光电二极管
在图4.1.1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，它
GaAs InP AlGaAs InGaAs InGaAs
禁带宽度Eg/eV 1.17
禁带宽度Eg/eV 0.775 1.424 1.35
1.42~1.92 0.75~1.24 0.75~1.35
波长 /nm 1067
波长 /nm 1610 876 924
879~650 1664~1006 1664~924
从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一 个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层 与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光 从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对， 其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应。
图4.1.3 APD光电二极管
1．散粒噪声
式（4.2.2）说明，如果入射光功率是一恒定值，光生电流就是一个常量。而实际上，光
生电流是一个随机变量，它围绕着某一平均统计值而起伏，这种起伏称做散粒噪声的电
流起伏is(t)。考虑散粒噪声电流的影响后，光电二极管中的光生电流表示为
I (t) I p is (t)
（4.2.9）
式中，IP为平均电流。散粒噪声可以用均方散粒噪声电流表示，即
图4.1.1 光检测器的工作原理 左侧入射的信号光透过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。符号P＋表示重掺杂区。

1 kA e(1kA )ew kA
M eew
（4.1.6） 增益随w指数增长；当ew 且 1 kA 时1 ，由式
（4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。
APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置
电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即
的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分
别 e 用 h 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为
式中，kA为电离系数，它是光检k测A 器he 性能的一种（度4.1量.5。）kA对M的影响可由下式给出，即
当 h 0
时，仅有电子参与雪崩过程， ， M
测器带宽和使用的光波段范围不同，Si PIN用于850nm波段，InGaAs PIN则用于
1310nm和1550nm波段。
4.1.2 APD光检测器 APD光检测器也称为雪崩光电二极管
（Avalanche Photodiode），其工作机理如下：入射信 号光在光电二极管中产生最初的电子-空穴对，由于光 电二极管上加了较高的反向偏置电压，电子-空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性

2 s
is2 (t)

2q( I P

Id
)B
（4.2.10）
式中，B是带宽，它与我们的考察点有关，如果考察点在光电二极管的输出端，则B为光
电二极管的带宽；如果考察点在光检测器后的判决电路端，则B为接收机的带宽。需要说
明的是，式（4.2.9）已经考虑了暗电流的影响。
对于雪崩光电二极管，散粒噪声受到了雪崩效应的影响，其计算公式为
B 0.35 tr
（4.2.7）
5．暗电流
暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。虽然没有入射光，但是在一定温度下，
外部的热能可以在耗尽区内产生一些自由电荷，这些电荷在反向偏置电压的作用下
流动，形成了暗电流。显然，温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。
对于PIN管，设温度为T1时的暗电流为Id(T1)，当温度上升到T2时则有
什么用Si材料制作的APD性能要优于其他材料制作的APD的原因。
当电离过程仅仅是由电子引起的时候， h = 0，kA = 0，此时FA的极限值为2。 散粒噪声属于白噪声，为了降低它的影响，通常在判决电路之前使用低通滤波器，使得
2．响应度
光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度，有 响应度的单位是A/W。该特性表明R 光PIiPn 检测器将（光4信.2.号2）转换为电信号的效率。R的典型值
范围是0.5~1.0A/W。例如，Si光检测器在波长为900nm时，R值是0.65 A/W；Ge光检测 器的R值是0.45 A/W（1300 nm时）；InGaAs在波长为1300nm和1550nm时，响应度分别 是0.9 A/W和1.0 A/W。
RL
(A
/
w)
（4.1.3）
由上述分析可知，增加耗尽区宽度是非常有必要的。
由图4.1.2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取较小的
值，因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。
当然，I区的宽度也不是越宽越好，由式（4.1.1）和式（4.1.3）可知，宽度w越大，
们形成了光生电流中的扩散分量，如P+区的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。我们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。设

2 s
(APD)
is2 (t)
2qM
2 FA (IP

Id
)B
Байду номын сангаас
（4.2.11）
式中，FA称为过剩噪声指数，它由下面的公式计算，即
FA kAM (1 kA )(2 1/ M )
（4.2.12）
式中，kA是电离系数，它与选用的半导体材料有关，对于Si，kA为0.03；对于Ge，kA为 0.8；对于InGaAs，kA为0.5。 式（4.2.12）表明，为了得到较小的过剩噪声指数，就需要有较小的电离系数，这就是为
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，即
w t tr vd
（4.1.1）
是vd 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区，而在这 部分区域，电场很小，无法将电子和空穴分开，所以导致了量子效率比较低。
实际上，PN结耗尽区可等效成电容，它的大小与耗尽区宽度的关系如下：
与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子
线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子，
它等于APD光电二极管雪崩后输出M的 I光IMP 电流IM与（未4.1倍.4增）时的初始光电流IP的比值 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移
Id (T2 ) Id (T1) 2(T2 T1)/C
（4.2.8）