光检测器介绍PINAPD详细讲解.
简述pin和apd的工作原理
简述pin和apd的工作原理PIN和APD都是用于光电探测的器件，工作原理略有不同，下面将对PIN和APD的工作原理进行详细的阐述。
首先，我们先来介绍一下PIN（P型/Intrinsic/N型）结构器件的工作原理。
PIN结构是一种半导体器件，由P型半导体、Intrinsic层（无掺杂的半导体层）和N型半导体组成。
在PIN结构中，Intrinsic层的宽度较大，起到减少载流子复合的作用。
当光线射入PIN结构中时，光子能量会被传递给半导体晶格中的电子，使其激发为可导电的载流子。
当不存在外加电压的情况下，通过PIN结构的电流主要是由光生电流和擦除电流组成。
光生电流是指光射入PIN结构时，光子与半导体材料发生作用产生的电流。
而擦除电流是指由于载流子在PIN结构中的扩散而产生的电流。
当施加一个外加正向偏压时，即P端连接正极，N端连接负极，此时形成了一个光电二极管。
光电二极管在没有光照射的情况下，电流非常小，只有极小的擦除电流。
但当光照射到PIN结构中时，光子激发了Intrinsic层中的电子，使其跃迁为导带中的自由电子，同时生成空穴。
这些载流子因为外加电场的作用而被快速输送到电极上，从而产生电流。
因此，当光照射到PIN结构时，光电二极管的电流会增大。
这种通过光子激发载流子的效应就是光电效应。
光电二极管的输出电流与输入光强度之间存在着线性关系。
光电二极管的灵敏度与Intrinsic层的宽度有关，宽度越大，灵敏度越高。
在应用中，PIN结构器件主要用于光电转换和信号检测方面，如光通信、光采样等。
接下来，我们来介绍一下APD（Avalanche Photo Diode）的工作原理。
与PIN结构器件不同，APD采用了一种称为雪崩复制效应的方式来增强光电二极管的敏感度。
APD的基本结构与PIN结构类似，也是由P型半导体、Intrinsic 层和N型半导体组成。
APD的工作原理是在光电二极管中引入一个反向偏压，即P端连接负极，N端连接正极。
APD 特性
APD的工作原理
• APD是通过在其结构中构造一个强电场区， 当光入射到PN结后，光子被吸收产生电 子-空穴对，这些电子-空穴对运动进入强 电场区后获得能量做高速运动，与原子 晶格产生碰撞电离出新的电子-空穴对， 该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。
APD的结构
入射光 抗反射膜 强电场区
N P I（P） P
量子效率=光生电子-空穴对数／ 入射光子数，即
I P hf η = P0 e 响应度 R ——是光生电流 I P和入
射光功率 P0 的比值
噪声特性
噪声直接影响光接收机的灵敏度。光电二 极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪 声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的 热噪声。通常噪声用均方噪声电流描述。 • 均方散粒噪声电流
第十一讲光电检测器主要内容一光电检测器的基本工作原理三雪崩光电检测器apd一光电检测器的工作原理光电检测器是外加反向偏压的pn结当入射光作用时发生受激吸收产生电子空穴对这些电子空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流同时在耗尽层两侧部分电子空穴对由于扩散运动进入耗尽层在电场作用下形成扩散电流这两部分电流之和为光生电流
PIN光电检测器的工作原理
• PIN是为提高光电转换效率而在 PN结内部设置一层掺杂浓度很低 的本征半导体（I层）以扩大耗尽 层宽度的光电二极管。
PIN的工作原理示意图
能 量
P+ 光
I
N+
W
PIN光电检测器的结构
入射光 抗反射膜 电极
+
P I
N
+
电极
E
PIN光电检测器的主要特性
• • • • • 量子效率 光谱特性 响应时间 频率特性 噪声特性
常用光电子器件介绍
主要光电子器件介绍【内容摘要】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，本文从几种常见的光电子器件的介绍来展示光纤通信技术的发展。
【关键词】光纤通信光电子器件【正文】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。
将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去，和很多技术一样，都需要一个发展的过程。
从宏观上来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分，本文主要介绍几种常见的光电子器件。
1、光有源器件1)光检测器常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。
为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。
光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。
随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。
因此，光电检测器的噪声要求很小。
另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。
2)光放大器光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光－电－光的转换过程，使得电路变得比较简单，可靠性也变高。
早在1960年激光器发明不久，人们就开始了对光放大器的研究，但是真正开始实用化的研究是在1980年以后。
随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里－泊罗型半导体激光放大器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。
另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉曼放大器。
PIN和APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。
指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。
随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。
如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。
），所以说他是可调的。
同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。
当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。
因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。
APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。
对于Si 材料,n =1. 5 ～4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。
由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。
三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
例 (续)
光检测器暗电流：
iD2B 2qID B 2(1.6 1019 C)(4 109 A)(20106 Hz) 2.561020 A2
负载均方热噪声电流为：
iT2
4kBT B 4(1.381023 J / K)(293K) 20106 Hz 3231018 A2
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时 的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般 为 2.5~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光 子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的 增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1 之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
iN2
2 N
iQ2
iD2 B iD2 S
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 m 0.942 A/W
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例
如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为:
P w P in (1e sw )
当电载流子在材料中流动时，一些电子 - 空穴对会重新
复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp，
这个距离即扩散长度，分别由下式决定:
LnDn n1/2
LpDp
1/2 p
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp为电子和空穴 重新复合所需的时间，称为载流子寿命。
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律:
光检测器介绍
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是:
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
目前常用的半导体光电检测器有两种: pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时, 会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象, 从而产生电子空穴对。电子空穴对在 外部电场作用下定向移动产生电流。
PIN与APD介绍
PIN:positive-intrinsic-negative(P型半导体-杂质-N型半导体)APD:avalanche photodiode(雪崩二极管)饱与光功率又称饱与光功率即指最大负载。
指在一定得传输速率下,维持一定得误码率(10-10～10-12)时得光模块接收端最大可以探测到得输入光功率。
当光探测器在强光照射下会出现光电流饱与现象,当出现此现象后,探测器需要一定得时间恢复,此时接收灵敏度下降,接收到得信号有可能出现误判而造成误码现象,而且还非常容易损坏接收端探测器,在使用操作中应尽量避免超出其饱与光功率。
因此对于发射光功率大得光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
当APD输入光功率达到一定强度得时候,输出得光电流将趋于饱与。
随着温度得升高,APD得击穿电压V BR也随着上升,如果APD得工作电压(即高压)不变,APD得光电检测性能会变弱,灵敏度降低。
APD得倍增因子代表倍增后得光电流与首次光电流之比。
如图:由图可知,倍增因子M与反向偏置电压有关(反偏电压越大,斜率越大,M越大。
理论上反偏电压接近击穿电压时,M趋于无穷大。
),所以说她就是可调得。
同时可以瞧到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压(击穿电压)V B。
当反偏电压大于击穿电压时,M会急剧增大处于雪崩状态。
但此时产生得倍增噪声会远远大于倍增效应带来得好处。
因此实际使用中,总就是把反偏电压调到略小于雪崩电压得地方。
APD倍增因子M得计算公式很多,一个常用得公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 就是由P-N 结材料决定得常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压得增加值。
对于Si 材料,n =1、 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2、 5～8 。
由式中还可瞧出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。
由公式可知,同样材料得APD管,同样偏置电压情况下,击穿电压越大,倍增因子越小。
pin光电探测器原理
pin光电探测器原理光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的设备，其中pin光电探测器是最常见的一种。
它的原理是基于光电效应和pn结构的特性。
让我们来了解一下光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被物质中的电子吸收，使得电子从物质中解离出来，从而产生电流。
这个过程是通过光子的能量被电子吸收，使得电子获得足够的能量跳出原子轨道而实现的。
在pin光电探测器中，p区和n区之间形成了一个pn结。
当光照射到探测器的表面时，光子的能量被探测器吸收，激发了p区和n区中的电子。
在pn结的电场作用下，电子会被推向n区，而空穴会被推向p区。
这个过程导致了p区和n区之间形成了一个光生电势差。
光生电势差的大小与光子的能量有关，因此，当光子的能量足够大时，光生电势差也会相应增大。
这样，我们就可以通过测量光生电势差的大小来确定光子的能量，从而获得光信号的强度。
pin光电探测器的另一个重要特点是它的高频响应能力。
由于pn结的结电容较小，因此电子和空穴在pn结中的移动速度较快。
这使得pin光电探测器能够快速地响应光信号的变化，适用于高频信号的检测。
除了高频响应能力，pin光电探测器还具有较高的灵敏度和低的噪声水平。
这是因为pn结的电子和空穴在结区域中会产生电流，而这个电流会被引出并放大，从而提高了探测器的灵敏度。
同时，由于pn结的电流会受到一些噪声的影响，因此pin光电探测器还会采取一些措施来降低噪声水平，以提高信号的清晰度。
总结起来，pin光电探测器利用光电效应和pn结的特性，实现了光信号到电信号的转换。
它具有高频响应能力、较高的灵敏度和低的噪声水平等优点。
在各种光学应用中，pin光电探测器都扮演着重要的角色，例如光通信、光谱分析、光电子学等领域。
它的出现不仅推动了光学技术的发展，而且在人类的生活中也起到了重要的作用。
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生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。
雪崩二极管 (APD)
耗尽区
高阻材料
目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴对 在外部电场作用下定向移动产生电流。
光检测器介绍
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面：
- 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，能够输出尽可能大的光电流； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例
如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
c
1.24 Eg
1.24 0.73
1.7 μm
当波长<1100 nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收，
所产生的电子空隙对的复合寿命很短，很多载流子并没有产
c
hc Eg
6.6251034 J s 3108 m / s
1.43eV (1.61019 J / eV )
869nm
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
Pw Pin (1 esw )
I p q (A/W)
Pin hv 例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光 电流为：
I p Pin (0.65 A/W) (10 μW) 6.5μA
响应度、量子效率 vs. 波长
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
Ip
Pin (1
Rf
)(1 esw )
q hv
其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射 光子数之比：
Ip /q
Pin / hv
例
有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内 共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：
0.65
1.0 0.9 0.45
Ip /q Pin / hv
1
Rf
1 es w
给定波长，与Pin无关
I p q q
Pin hv hc
给定波长，R为常数
由光子能量不足造成
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的
当电载流子在材料中流动时，一些电子 - 空穴对会重新
复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp， 这个距离即扩散长度，分别由下式决定：
Ln Dn n 1/2
Lp Dp p 1/2
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，n和p为电子和空穴
重新复合所需的时间，称为载流子寿命。 在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：
5.4 106 6 106
90%
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
pin的响应度
光电二极管的性能常使用响应度来表征：
只有少数载流子在电场作用下漂移
多数载流子的 扩散行为被反 向电场抑制
由于常态下少数载流子含量很少，因此漂移行为非常微弱
pin光电二极管的结构
pin 光电二极管是在掺杂浓度很高的p型、n型半导体之间加 一层轻掺杂的n型材料，称为i (本征)层。由于是轻掺杂，电 子浓度很低，加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层。
P(x) P0 (1 es ()x )
P(x)
其中s()为材料在波长处的吸收
系数，P0是入射光功率，P(x)是通 过距离x后所吸收的光功率。
s() 增加
x
不同材料吸收系数与波长的关系
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
光子能量增大方向
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 m 0.942 A/W
材料的截止波长c由
其带隙能量Eg决定：
c
hc Eg
1.24 Eg (eV)
若波长比截止波长更长， 则光子能量不足以激励出 一个光子。
此图还说明，同一个 材料对短波长的吸收很强
烈 (s大) 。而且短波长激
发的载流子寿命较短，因 为粒子的能级越高，越不 稳定。
例
有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300 k时 其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为：
耗尽区
pin光电二极管的工作原理
1. 能量大于或等于带隙
能量Eg的光子将激励价 带上的电子吸收光子的
能量而跃迁到导带上，
+-
可以产生自由电子空穴
对 (光生载流子)。
2. 耗尽区的高电
场使得电子空穴
对立即分开并在
反向偏置的结区
中向两端流动，
然后它们在边界
处被吸收，从而
在外电路中形成
光电流。
电子和空穴的扩散长度