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文档简介

第5章 光电检测器,三大基本光器件,光源:光纤通信系统的心脏,作用是完成电信号到光信号的转换。 光纤:具有巨大的可用带宽资源,承载着通信业务种类和容量的日益增长的需求。 光电检测器:光接收机的核心器件,任务是光纤传输的光信号转换成其他通信电宿端设备可用的电信号。,三者的关联,与输入光电检测器的光信号强弱有关 受光源的功率和光纤本身的衰减限制 总之,光电检测器完成光检测任务与输入光信号的质量有关,对光电检测器的要求,高的光电转换效率 与光源的工作波长范围有极快的响应速度,或者有极大的带宽 高的灵敏度 功率消耗尽可能低 便于耦合 稳定,可靠,便宜,主要内容,光电检测器 PN结光电二极管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD 光电二极管的一般性能和应用,光电检测器是光接收机的核心。 光电检测器的功能:利用光电效应,把光信号转换为电信号。 常见光电检测器: PN光电二极管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD,1 光电检测器,工作原理: 当入射光作用在PN结时,光子能量大于或等于带隙能量时,价带的电子通过受激吸收跃迁至导带,形成电子-空穴对。当电路闭合时,这些自由载流子的定向流动形成(光)电流。 施加反向偏压可以增强光电流。,2 PN光电二极管,光照射到半导体的P-N结上,若光子能量足够大,则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量,从价带越过禁带到达导带,在导带中出现光电子,在价带中出现光空穴,即产生光电子-空穴对。又称光生载流子。,光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下,在外电路中出现光电流,如图 (a)所示。从而在电阻R上有信号电压输出。这样,就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。,图 (b)是P-N结及其附近的能带分布图。要注意的是能带的高、低是以电子(负电荷)的电位能为根据的,电位越负能带越高。 由图可见:外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致,有利于耗尽层的加宽。,3 PIN光电二极管,由于PN结耗尽区只有几微米,大部分入射光被中性区吸收,因而光电转换率低,响应速度慢。为改善器件的特性,在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I层),这种结构便是常用的PIN光电二极管。,基于异质结的PIN光电二极管,工作原理,光照hvEg耗尽区吸收大部分光受激吸收 光生载流子耗尽区电场作用,电子向N区漂移,空穴向P区漂移反向电压,耗尽区加宽 接通电路,R上有电流,4 雪崩光电二极管,雪崩光电二极管的结构与PIN不同表现在增 加了一个附加层,以实现碰撞电离产生二次 电子-空穴对,在反向时夹在I层和N层间的P 层中存在高电场,该层称为倍增区或增益区 雪崩区,耗尽层仍为I层,起产生一次电子 -空穴对的作用。,四层结构,1、高掺杂的N+型半导体,为接触层; 2、倍增层(雪崩区); 3、轻掺杂半导体I层,为漂移区(光吸收区);4、高掺杂的P+型半导体,为接触层。,APD的工作原理,入射光信号 受激吸收 形成最初电子空穴对 反向电压 空穴对加速运动 与中性原子碰撞产生能量 电子从低能级移到高能级 形成二次电子-空穴对 多次碰撞 载流子数急增 反向电流迅速增大 雪崩倍增效果,APD的倍增因子,APD器件的放大作用,用倍增因子表示: G = 输出光电流/一次光生电流 = I0/Ip,光电检测器的特性,响应度: R=Ip/Pin 量子效率:R*hf/e 响应速度:(响应时间) 暗电流: 表面暗电流、体内暗电流 倍增因子:g=I0/Ip 温度特性:温度升高、倍增增益下降 噪声特性:种类,5 光电二极管的一般性能和应用, PIN二极管特点 机构简单,可靠性高。电压低,使用方便。 量子效率高。 噪声小。 带宽较高。, APD二极管特点 灵敏度高。 高增益。 高电压,结构复杂。 噪声大。, 使用场合: PIN:广泛应用于光纤通信系统,在灵敏度要求不高的场合,一般都采用PIN. APD:在光接收机灵敏度要求高的场合,采用APD。有利于延长传输距离。 如:小信号测量。,一、填空: 1 衡量光电检测器性能的技术指标有()()()()()。 2 接收机中存在的噪声源可分为()()() 二、简答题: 1 雪崩光电二极管是利用什么原理使检测灵敏度得到大大提高的? 2 半导体光电二极管是利用什么原理实现光/电转换的? 3 比较APD、PIN光电检测器的优缺点。,1 是靠管子内部的雪崩倍增效

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