通信工程师光检测器

1.4.2 光检测器

光检测器目前主要是采用半导体光检测器，半导体光检测器负责完成光一电转换，其工作原理如图1-14所示。当光照射到其表面时，到导带，同时在价带中留下了空穴。在外加偏置电压的情况下，电子空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。

半导体光检测器有足够快的响应速度、高的转换效率、易于实现、经济可靠。描述光检测器的关键参数如下。

（1）光谱响应，波长与所产生的电流大图1-14半导体光检测的原理小之间的关系。

（2）响应度，光检测器产生的电流（mA）与入射到光检测器的光功率（mW）之比。

（3）量子效率，产生电流的电子数目与入射光功率的光子数之比。

（4）暗电流，在没有光照射K流过光检测器的电流值引起的暗电流噪声。

（5）时间响应，定义为光脉冲幅度从10%上升到90%所经历的时间（称为上升时间）和从90%下降到10%所经历的时间（称为下降时间）。

（6）波长响应，定义为光检测器能响应的波长范围。

（7）截止波长，定义为光检测器所能响应的最低波长。

（8）时间常数，由PN结电容Cd和负载电阻决定。

通信系统常用的光检测器有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。

1.（PIN）光电二极管

在P型半导体和N型号半导体之间加入一种轻微掺杂的本征半导体，这样的光电二极管称为PIN光电二极管，I的含义是指中间这一层是本征半导体。PIN光电二极管的耗尽层很宽，几乎是整个本征半导体的宽度，而P型半导体与N型半导体的宽度与之相比是很小的，因而大部分光均在此区域被吸收，从而提高了量子效率和响应速度。

提高量子效率与响应速度的更有效的方法是使半导体在工作波长上对光是透明的，因而工作波长应远远大于半导体的截lh波长，在此区域对光不吸收，如图1-15所示，P型和N型半导体采用InP半导体材料，本征半导体采用InGaAs材料，这样的光检测器称为双异质结或异质结，因为它包含两个完全小同的半导体材料组成的两个PN结。InP的截止波长为0.92nm,InGaAs的截止波长为1.3-1如m,因此采用InP半导体材料的P型和N型半导体在1.3-1.6nm波长是透明的，光电流的扩散部分完全减少了。

2.雪崩光电二极管

光生电子如果在强电场面的作用下，获得了足够能最就会诱发许多的电子从价带到导带，即产生二次电子一空穴对，这些二次电子一空穴对又被加速获得足够的能量引发更多的电子一空穴对，这一过程称为雪崩放大，把具有这种特性的光电二极管称为雪崩光电二极管（APD）。

APD可以对尚未进入后面放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大。这样可以显着地增加接收机的灵敏度，这是因为在还没有遇到接收机电路的热噪声之前就己放大了光电流。为了达到载流子的倍增，光生载流子必须穿过一个具有非常高的电场的高场区。在这个高场区，光生电子或空穴可以获得很高的能量，因此它们高速碰撞在价带的电子上使之产生电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，这种现象就是所谓的雪崩效应。当偏置电压低于二极管的击穿电压时，产生的载流子总数是有限的。偏置电压高于击穿电压时，产生的载流子就可以无限多了。

最常用的具有低倍增噪声的结构是拉通型的APD（RAPD），如图1-16所示。拉通型APD先是把一种高阻的P型材料作为外延层而沉积在P+（P型重掺杂）材料上，然后在高阻区进行P型扩散或电离掺杂，最后一层是一个N+（N型重掺杂）层。对于硅材料，一般采用硼和磷进行掺杂。这种结构称为P+71PN+拉通型结构。71层主要是带有少量P掺杂的本征材料。“拉通”这一术语来源于光电二极管的工作情况。当加上一个较低的反向偏置电压时，

大部分的电压降在PN+结上。增加电压，耗尽区宽度也将增加，直到加到PN+结上的峰值电场低于雪崩击穿所需电场的5%-10%时才停止，此时耗尽区也正好拉通到了整个木征区。在一般的操作过程中，RAPD工作于完全耗尽的方式。光子从P+R进入，并在n区被吸收，n区就是收集光生载流子的区域。光子被吸收后释放它的能量，产生的电子一空穴对立即由n区的电场分开，然后通过71区漂移到PN+结区，PN+结上的高电场使得电子产生雪崩倍增。

由一个（主要）电子通过雪崩产生的二次电子一空穴对数目是随机的，其平均数目称为雪崩增益，用G来表示（G=Im/Ip,其中Im是雪崩增益后的输出电流平均值，Ip是未经倍增时的初始光电流）。G是一个统计平均值。APD的雪崩增益G可以很大，然而大的G值也伴随着光电流的大的起伏，产大的APD噪声，因此在增益和噪声之间应进行折中，选择合适的G值以使其性能最佳。

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