《in光电二极管》PPT课件

pin光电二极管,光接收机：在光传输路线的输出端，必须有一个能转换光信号的接收装置，即光接收机。光检测器：光检测器作为光接收机的首要部件，能检测出入射在上面的光功率，并将光功率的变化转变为相应变化的电流。,光检测器的要求,1.较高的响应度或灵敏度2.较小的噪声3.响应速度快或足够的带宽4.温度变化不敏感5.光纤尺寸匹配6.价格合理7.工作寿命长,光检测器的几种类型：光电倍增管、热电检测器、半导体材料的光导电体、光电晶体管、光电二极管,光电倍增器：由光电阴极和装在真空管内的倍增器组成，有很高的增益和很低的噪声，但尺寸较大且需要的偏置电压较高，所以不适合于光纤通信系统。热电检测器：激励后检测器的冷却速度限制了响应速度，主要用途是检测高速激光脉冲，并不十分适合光纤通信系统。光电二极管：尺寸较小，材料合适，灵敏度高，响应速度快，所以在光纤通信系统得到广泛应用。常用的光电二极管有两种类型：pin光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。,Pin光电二极管：,最普通的光电二极管是pin光电二极管，如右图所示，它的p型材料区和n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征区（i）隔开。正常工作时，加上足够大的反向偏置电压，本征区的载流子就会完全耗尽。,在光子流穿过半导体时，会被半导体吸收。假设当x=0时光照到光电探测器上面，其功率为Pin，当光进入半导体距离为x时，其光功率为P(x)光功率随进入半导体的距离dx的变化量为dP(x),那么dP(x)=-s()P(x)dx,其中s()为波长时材料的吸收系数。在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律。P(x)=Pinexp(-sx）（6.1）,当一个入射光子能量大于或等于半导体的带隙能量时将激励价带上的一个电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，从而产生自由的电子-空穴对，如右图所示。由于它们是在偏置电压控制下由光通过器件而产生的电载流子，所以称为光生载流子。大部分载流子是在耗尽区产生。,Pin光电二极管工作原理：,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，在边界处被收集，从而在外电路中形成电流。每个载流子对分别对应着一个流动的电子，这种电流就是光电流。,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，此时电子和空穴平均流动的距离分别为Ln和Lp，这个距离就是所谓的扩散长度，电子和空穴重新复合所需的时间成为载流子寿命。两者关系为Ln=（Dnn）1/2Lp=（Dpp）1/2其中Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数，其单位为cm2/s,左图给出了几种不同的光电二极管材料吸收系数与波长的关系。可以看出s随波长显著变化，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内。上限截止波长c取决于所用材料的带隙能量Eg,在短波长区，材料的吸收系数变得很大，因此光子在光检测器的表面就被吸收，电子-空穴对的寿命极短，结果载流子在被光检测器电路收集以前就被复合掉了。,（6.2）,如果耗尽区宽度为w，由式（6.1），在距离w里吸收功率为,设光电二极管入射表面的反射系数为Rf，则可从式(6.3)得到初级光电流Ip,光电二极管两个重要的特性参数是其量子效率和响应速度，这些参数主要由器材材料的带隙能量、工作波长、p区、i区、n区的掺杂浓度和宽度所决定，量子效率表示每个能量为hv的入射光子所产生的电子-空穴对，由下式给出,（6.3）,（6.4）,（6.5）,光子能量一定时，大多数光电二极管的量子效率和入射到光电二极管的光功率无关。因此响应度是光功率的线性函数，响应度R是一个常数。不过在整个波长范围内量子效率并不是一个常数，因为光子能量在改变。因此，响应度R随波长和所用的光电二极管材料的不同（不同的材料有不同的带隙能量Eg）而变化。,对于给定的材料，当入射光