第六章 光检测器

1. 前置放大器 主放大器 光信号 再生码流 光检测器 均衡器 判决器 AGC 时钟 偏压控制 电路 提取 第六章 光检测器 6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 时钟提取 数据再生 前端 线性通道 数字光接收机

2. 6.1 光电检测器 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： ① 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； ② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； ③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； ⑤ 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。

3.  PN结 内建电场 耗尽层

4. 光电二极管的工作原理 当光照射到光电二极管的光敏面上时，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（称为光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置的外电场作用下立即分开并在结区中向两端流动，从而在外电路中形成电流（光电流）。

5. 6.1.1 PIN光电二极管 由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PN Photodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。 1. PIN光电二极管的结构 PIN光电二极管(PINPD)的结构如图6.2所示。

6. 耗尽区 图6.2 PIN光电二极管的结构

7. 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（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图6.3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图6.3（b）所示。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（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图6.3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图6.3（b）所示。 图6.3 PIN光电二极管

8. 外加反向偏置电压的pin 光电二极管的电路示意图

9. pin 光电二极管的能带简图，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（称为光生载流子）。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，然后在边界处被吸收，从而在外电路中形成电流。

10. 图6.4 半导体材料的光电效应

11. 电子和空穴的扩散长度 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。 ， 其中Dn，Dp为电子和空穴的扩散系数，单位为cm2/s. 为电子和空隙的重新复合所需要的时间（载流子寿命） 在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律 其中 为波长 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。

12. 特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内，其上限截止波长为：特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内，其上限截止波长为： 例6.1 有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300k时其带隙能量为1.43eV，其截止波长为：

13. 光穿透深度 (mm) 光吸收系数 (cm-1) 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lc由其带隙能量Eg决定。 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 (as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。 光子能量增大方向

14. 如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为： 如二极管的入射表面反射系数为Rf，其初级光电流为：

15. 6.1.2 雪崩光电二极管（APD） 1. 雪崩倍增原理 APD可以对初级光电流进行内部放大，以增加接收机的灵敏度。由于要实现电流放大作用，光生载流子需要穿过很高的电场，以获得很高的能量。光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应激发出新的电子-空穴对，新产生的载流子通过电场加速，导致更多的碰撞电离产生，从而获得光生电流的雪崩倍增。

16. 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

17. 工作过程

18. 1. 雪崩光电二极管的结构 常用的APD结构包括拉通型APD和保护环型APD。 图6.4 APD的结构

19. 拉通型雪崩光电二极管（RAPD）采用 结构，其结构示意图和电场分布如图6.5所示。图6.5（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图6.5（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图6.5（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。 图6.5 RAPD的结构图和能带示意图

20. 保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。 APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。

21. 6.2 光电检测器的特性指标 6.2.1 光电检测器的工作特性 1. 响应度 在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。响应度可以表示如下： 式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。

22. 2. 量子效率 响应度是器件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。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号η表示：

23. 式中：e是电子电荷，其值约为1.6×10-19G；ν为光频。η与ρ关系可以表示为： 式中：e是电子电荷，其值约为1.6×10-19G；ν为光频。η与ρ关系可以表示为：

24. 式中：h是普朗克常数，c是光在真空中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代入相应数值后，可以得到： 式中：h是普朗克常数，c是光在真空中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代入相应数值后，可以得到： 从上式可以看出：在工作波长一定时，η与ρ具有定量的关系。

25. 例6.2 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6x106 个，平均产生了 5.4x106个电子空隙对，则其量子效率可以等于： 例6.3 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0.65A/W，如果入射光功率为10uW，则产生的光电流为：

26. 几种不同材料的pin 光电二极管响应度和量子效率与波长的关系曲线 量子效率 响应度 光子能量一定时，量子效率与光功率无关，响应度是光功率的线性函数。

27. 3. 响应速度 光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度。它取决于以下三个因素： 1、耗尽区的光载流子的渡越时间； 2、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间； 3、光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。 影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数as、等效电容、等效电阻等。

28. 光载流子渡越时间 耗尽区内产生的光生载流子 一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的极限速度。 例如：耗尽层为10 mm的Si光电二极管 电场强度：20000 V/cm 电子最大速度：8.4 x 106 cm/s 空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s 极限响应时间：~0.1 ns

29. 光载流子扩散时间 耗尽区外产生的光生载流子 p区或n区产生的载流子 向耗尽区扩散 在耗尽区内漂移到电极 扩散速度 << 漂移速度 存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间 解决办法：尽量扩大耗尽层宽度

30. 上升时间和下降时间 当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间tr和下降tf时间来表示。 在理想情况下tr = tf，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度远小于漂移速度，使得tr≠tf，造成脉冲不对称。 图6.11 10%~90%上升时间和下降时间

31. 非全耗尽型光电二极管的典型相应时间

32. 光电二极管脉冲响应 1. 为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w必须大于1/as (吸 收系数的倒数)，以便可以吸收大部分的光； 2. 同时如果w较大，会让二极管结电容C变小，于是RLC常数 变小，从而得到较快的响应； 3. 但是过大的w会导致渡越时间的增大 折衷取值范围：1/as < w < 2/as 不同参数条件下，光电二极管的脉冲响应

33. 带宽 设RT是负载电阻和放大器输出电阻的组合，CT是光电二极管结电容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个RC低通滤波器，其带宽为： 例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大器电容为4 PF，负载电阻为1 K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT = 7 PF，RT=1 K欧姆，所以电路带宽： 如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。

34. 4. APD的倍增因子 APD的电流增益，即平均倍增因子M可表示为： 式中：Ip为APD倍增后的光生电流；Ip0是未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣除当时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。

35. 5. 光电检测器的噪声 输出端光信噪比： S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率) 为了得到较高的信噪比： 1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率 2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低

36. 噪声来源

37. 信号部分：光生电流信号 信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初级光电流为： 对于pin，均方信号电流为： 对于APD，均方信号电流为： 对于一个调制指数为m的正弦输入信号，信号成分为：

38. 光电检测器的噪声包括量子噪声、光电二极管材料引起的暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。 量子噪声是光电子产生和收集过程具有的统计特性。对于接收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流和光电流Ip的平均值成正比。其中F(M)  Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。 光检测器暗电流是指没有光入射时流过检测器的偏置电路的电流，它是体暗电流和表面暗电流之和： 体暗电流：pn结区热产生的电子和（或）空穴。 表面暗电流：表面缺陷、清洁程度等引起的漏电流。

39. 雪崩倍增噪声 APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪声。这里定义F为过剩噪声因子，它近似等于： 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。

40. 总噪声 光检测器的总均方噪声电流为： 放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL，因此检测器的负载热噪声由RL的热噪声决定： 其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。

41. 例 InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级体暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率h=0.90，表面暗电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收机带宽为20 MHz，计算接收机的各种噪声。 首先计算初级光电流： 量子噪声均方根电流：

42. 例 (续) 光检测器暗电流： 负载均方热噪声电流为：

43. 信噪比 小结：对于 pin 光电二极管，主要噪声电流来自检测器负载电阻和放大电路的有源器件；而对于雪崩二极管，热噪声并不占重要地位，主要噪声来源于光检测器的量子噪声和体暗电流。 最佳增益：使信噪比最大的M值。

44. 偏置电压很大时，对温 度的敏感程度大大增加 电流增益 给定偏置电压，降低温度，则 电离速度增加，电流增益变大 电压 温度对雪崩增益的影响 回顾M与VB的关系： 其中，VB与温度的关系： 参数n也随温度变化： a, b可从实验中得到。 电子空穴的电离速度取决于温度使得APD对温度非常敏感。电离速度变快，增益会增加。为保证温度变化时增益不变，需要增加一个补偿电路，根据温度变化调整偏置电压。

45. 6.2.2 光电检测器的典型指标及简易检测 1. 光电检测器的典型指标 表6.1中列出了富士通公司生产的两种光电检测器的典型指标。

47. 2. 光电器件的简易检测 与光源器件一样，在没有测试条件的情况下，使用人员也可以借助于指针式万用表对光电检测器件进行简易的测试。这种测试方法主要是检查光电检测器件PN结的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。常用光电检测器件的参考数据如表6.2所示。