光检测器介绍PINAPD详细讲解
《光检测器》PPT课件
25
精选ppt
思考题
1
量子效率的定义及提高量子效率的措施是什 么？
PIN光电二极管η=90%，λ=1.3μm，计算该 2 器件在1.3μm的响应度以及当入射光功率为-
37dBm时的光电流。
26
精选ppt
精选ppt
❖ 响应度R； ❖响应时间； ❖结电容； ❖暗电流。
PIN光电二极管的特性
15
精选ppt
响应度R（量子效率）
Ip=RPin
入射光功率Pin中含有大量光子， 能转换为光电流的光子数和入射总光 子数之比称为量子效率η 。
R=Ip/Pin =ηλ/1.24 (A/W)
16
精选ppt
响应时间
55不同材料的吸收系数不同材料的吸收系数66光检测器种类光检测器种类pinpin光电二极管光电二极管apdapd雪崩光电二极管雪崩光电二极管77pin光电二极管pin光电二极管88雪崩光电二极管apd雪崩光电二极管apd99光检测器的比较1光检测器的比较1参数符号单位sigeingaas波长范围nm4001100800165011001700响应度04060405075095暗电流na110505000520上升时间ns0510010500505带宽ghz030705301020偏置电压sisigegeingaasingaaspinpin光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数1010光检测器的比较2光检测器的比较2参数符号单位sigeingaas波长范围nm4001100800165011001700雪崩增益20400502001040暗电流na011505001050m10上升时间ns01205080105增益带宽ghz10040021020250偏置电压15040020402030sisigegeingaasingaas雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数1111光检测器的比较3光检测器的比较3在短距离的应用中工作在850nm的si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案
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
PIN光探测器
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：
P w Pin (1 es w )
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 es w )
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
(1
Rf
)(1
es w )
量子效率只与波长有关，而与Pin无关
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：
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。
Ip
Pin (1
Rf
)(1 es w )
q hv
pin的响应度
主要内容
光电二极管物理原理及其参数 雪崩倍增管的原理及其参数 光电检测器的噪声分析 光电检测器的带宽
雪崩二极管 (APD)
设计动机：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在 高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于显著提高接收机灵 敏度
耗尽区
高阻材料
《涨知识啦20》---PIN光电探测器基本原理
《涨知识啦20》---PIN型光电探测器基本原理
大家好，本周给大家带来的是《涨知识啦》系列内容：PIN型光电探测器的基本原理。
众所周知，PIN二极管是由一层本征（或低掺杂）层夹在重掺杂的P层和N层之间所组成的三层结构器件，如下图所示。
其中，金属表面打开了一个窗口用来接收探测光源，同时，减薄顶部的半导体区域有利于降低该层对光源的吸收，合理地设计i层的宽度有助于获得所需要的特征响应。
由于i层为轻掺杂，在零偏压或低的反偏电压下，该层处于完全耗尽的状态；鉴于两侧均为重掺杂区，因此器件的空间电荷区主要集中在i层中，具体如下图所示。
从图中可以看出，耗尽区主要集中在中间i层中，且该层中电场ε近似为常数。
由此看来，两侧重掺杂区的少数载流子扩散长度相对要小，所以PIN型光电二极管中大部分的光电流主要是由中间耗尽区产生的光生载流子组成。
PIN型光电二极管是使用最广泛的光电探测器之一，其优点在于i层具有显著的设计空间。
例如，通过控制i层的宽度等于待测波长吸收系数的倒数，可以实现器件对该波段的最大响应。
由于大部分的光电流在i区中产生，所以其频率响应速度比传统的PN结光电探测器要大得多。
在耗尽的i区中，强电场ε的存在使得光生载流子高效、迅速的分离、收集，以此获得高频率响应，具体可参考如下公式，其中W I是i区宽度，v sat是饱和速度。
本周的涨知识啦就到这啦，希望大家有所收获！
以上内容选自Semiconductor Device Fundamentals, [美] Robert F. Pierret.。
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。
光有源器件
光有源器件光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。
将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），很有应用前景的是拉曼光放大器。
半导体激光二极管（LD）即半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器的特性有封装技术、驱动电流、输出功率、峰值波长和光谱宽度等。
半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。
一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。
而半导体激光器封装则是为了隔绝环境，避免损害，保证清洁；为器件提供合适的外引线；提高机械强度，抵抗恶劣环境；提高光学性能。
通常情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。
另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。
pin管工作原理
PIN光电二极管（PIN PhotoDiode）是一种光检测器，它能够在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，通过在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射并产生光电流。
它具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。
PIN光电二极管的工作原理如下：
1. 结构：PIN光电二极管的结构包括P型半导体、N型半导体以及夹在两者之间的I型半导体层。
I型半导体层的掺杂浓度较低，近乎本征（Intrinsic）半导体，因此称为I层。
2. 光吸收：当光线照射到PIN光电二极管上时，大部分光在I 型半导体层内被吸收。
吸收光能后，I型层中的电子空穴对产生。
3. 电荷分离：在I型半导体层中，电子和空穴由于扩散运动被分离。
电子向N型半导体层移动，空穴向P型半导体层移动。
4. 光电流：分离后的电子和空穴在N型和P型半导体层中形成光电流。
由于I型层占据了整个耗尽区，光电流主要来自于I型层，因此响应速度较快。
5. 响应速度：由于I型半导体层的掺杂浓度低，耗尽区的宽度增大，扩散运动的影响减小，从而提高了响应速度。
PIN光电二极管的工作原理是通过光吸收、电荷分离和光电流的产生来实现光检测。
其优点在于结电容小、渡越时间短和灵敏度高。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 ?
e?? sw ) ?
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：
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。
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。
? ? 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 ) ? 6.5 μA
响应度、量子效率 vs. 波长
0.65
1.0 0.9 0.45
? ?? ? ? ? I p / q ? Pin / hv
1? Rf
1 ? e?? s ?? ?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
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。
(cm-1) 数 系 收
m) (m
?c
?
hc Eg
?
1.24 Eg (eV)
度 深
若波长比截止波长更长，
透 则光子能量不足以激励出
吸
穿 一个光子。
光
光
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
光子能量增大方向
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：
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 ?
? D 1/2 nn
? ? Lp ?
? D 1/ 2 pp
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：
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
?
?
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：
?
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
生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
? ? ?? ? ? ?
? q ? q?
?? ? hv hc
?0.90?1.6 ? 10?19 C ?
6.625 ? 10 ?34 J ?s 3? 108 m/s
? 7.25 ? 105 ?
P( x) ? P0 (1 ? e? ? s (? )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
特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
材料的截止波长? c由
其带隙能量Eg决定：
? ?? ? ?c
?
34 J ?s 3? 108 m / s
?1.43eV ?(1.6 ? 10?19 J / eV )
? 869 nm
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?? Pin (1 ? e?? sw )
当波长为1300 nm时：
? ?? ? ? ? 7.25? 105 ?A/W ?/m 1.30? 10?6 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：
?c
?
1.24 Eg
?
1.24 0.73