光 电 探 测 器

1、光探测器（Photodetector）是光纤通信系统的重要组成部分， 它的作用是把光源发送并经光纤传输的携带有信息的光信号转 化成相应的电信号（与光源相反），然后放大并恢复为原始电 信号,即将电信号“解调”出来。 光探测器是一种光电信息转换器件。在光纤系统中，光探测器 的作用是将光纤传来的光信号功率变换为电信号电流。 数字光接收机 光检测器 偏压控制 前置放大器 AGC电路 均衡器判决器 时钟提取 再生码流 主放大器 光信号 光电检测器件光电检测器件 光子器件光子器件热电器件热电器件 真空器件真空器件固体器件固体器件 光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管 光敏电阻 光电池 光电二极

2、管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件 CCD 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻 热释电探测器 光电探测器的种类 类 型实 例 PN结 PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 非PN结 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 电子管类 光电管，摄像管，光电倍增管 其他类 色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD） 光电池 光电探测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光

3、光电探测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信电信 号的转换。对光检测器的基本要求是：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；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；具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真

4、； 具有较小的体积、较长的工作寿命等。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探测器有两种：目前常用的半导体光电探测器有两种： PIN光电二极管光电二极管 APD雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode）。）。 光电探测器的主要工作特性光电探测器的主要工作特性 1.响应特性 （1）响应度R（或称灵敏度）描述的是光电探测器 的光电转换效率。 定义：光电探测器输出信号与输入光功率之比。 描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应度和电流响应度 响应度分为电压响应度和电流响应度 电压响应度Rv 光电探测器件

5、输出电压与入射光功率之比 电流响应度RI 光电探测器件输出电流与入射光功率之比 P V R s V P I R s I （2）光谱响应度 光谱响应度R()是响应度随波长变化的性能参数。 大多数光电探测器具有光谱选择性。 定义：探测器在波长为的单色光照射下，输出 电 压或电流与入射光功率之比。 )( )( )( P V R s V )( )( )( P I R s I （3）频率响应度 频率响应度频率响应度R(f)R(f)： 响应度随入射光频率而变化的 性能参数。其表达式为： 式中R(f)为频率为f 时的响应度；R0为频率为零时的响 应度；为探测器的响应时间或称时间常数,由材料和外电 路决定。

6、响应时间：响应时间=RC是描述光电探测器对入射光响 应快慢的一个参数。决定了光电探测器频率响应的带宽。 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器 输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输 出下降到稳定值所需要的时间。 2/12 0 )2(1 )( f R fR 2.量子效率 量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放 的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式 为: 式中，I是入射光产生的平均光电流大小，e是电子 电荷，P是入射到探测器上的光功率。I/e为单位 时间产生的电子数,P/h为单位时间入射的光子 数。 hP eI / / 3.噪声等效功率 噪声等效

7、功率(NEP)是描述光电探测器探测能力的参数。 定义：单位信噪比时的入射光功率。 噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P， 测得的输出电压为U0，然后除去辐射源测得探测器的噪声 电压为UN，则按比例计算，要使U0UN的辐射功率为 2 0 () N P NEPW U U 4.探测度D与归一化探测度D* 探测度D 为噪声等效功率的倒数，即 归一化探测度D* 由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽 f乘积的平方根成正比，为消除这一影 响，定义： D*越大的探测器其探测能力越强。 1 D NEP *1/ 2 * 1 () d DDAf NEP PIN 光电二极管 (1)结构与工作原理： 为

8、改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。 P+N+I 耗尽层 R P+ N+ PIN光电二极管原理图 了光电转换效率，两侧P+层和N+层很薄，吸 收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽 层，因而光生电流中漂移分量占支配地位， 从而大大提高了响应速度。还可以通过控制 耗尽层的厚度，来改变器件的响应速度。 N+ P+ 抗反射膜 电极 电极 (N) E PIN光电二极管结构 (N) 掺杂浓度很低； P+

9、和N+掺杂浓度很高。 且I层很厚，约有 55 0m，吸收系数 很小，入射光很容易进 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对,因而大幅度提高 P0为入射光功率； ()材料的吸收系数，其大小与材料 性质有关，且是波长的函数。通常使用的PIN光电二级管 半导体材料。不同材料适用于不同的波长范围。当工作 波长比材料的带隙波长 C=1.24/Eg(m)长时，吸收系数 急剧减小。 为获得最佳的转换效率量子效率及低的暗电流(它随 带隙能量的增加按指数减小)，理想光电二极管材料的带 隙能量Eg应略小于与最长工作波长相对应的光子能量。 在0.85m短波长区，Si是最优选材料，截止波长1.09m， 吸收

10、系数a()600cm-1，穿透深度17m。 在长波长区，Ge和InGaAs合金可选用为 光电二极管材料。 W ePWP 1 0 为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 示为 ： 光检测器吸收光功率后产生的一次光电流可表为 e电子电荷；hf光子能量 (hf=1.24/eV, 光波 长m,h普朗克常数)，W 耗尽区宽度，Rf材料界 面的菲涅尔反射系数。 )1 (1 )( 0f Wa P ReP hf e I PIN光电二极管偏置电路及电场光场分布光电二极管偏置电路及电场光场分布 PI

11、N特性 1. 1. 响应度：响应度： 2. 2. 量子效率量子效率： 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设 PIN光电二极管器件表面的反射率为0，且P层和N层对量 子效率的贡献忽略情况下，在工作电压下，I层全部耗尽， 则PIN光电二极管的量子效率近似表示成： 但是W 增大时，产生的电子空穴对要花较长 的时间才能到达结边被收集，这样又降低了光 检测器的响应速度。 0 0 p I R P p 0 / / Ie Ph 1expW 1,1W ,W 对于波长的限制： 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 () 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.70.91.11.31.51.7 70% 50% 30% 10% InGaAs Ge Si c g hc E PIN响应度、量子效率响应度、量子效率 与波长的关系与波长