通信用光器件学习教案

1、会计学1通信通信(tng xn)用光器件用光器件第一页，共91页。 当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴(kn xu)流向N区， 便形成了光生电流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。 这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子 - 空穴(kn xu)对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。 第1页/共90页第二页，共91页。 如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生(un shn)电流中的扩散

2、分量。第2页/共90页第三页，共91页。第3页/共90页第四页，共91页。 由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间(shjin)， 使响应速度减慢。 为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电二极管的结构。 第4页/共90页第五页，共91页。 光电二极管 PIN光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，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(chn wi)I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。 第5

3、页/共90页第六页，共91页。 PIN光电二极管的工作光电二极管的工作(gngzu)原理和结原理和结构见图构见图3.20和图和图3.21。第6页/共90页第七页，共91页。图3. 21 PIN光电二极管结构抗 反 射 膜光电 极(n)PNE电 极第7页/共90页第八页，共91页。 中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。 I层很厚， 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电子(dinz) - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。第8页/共90页第九页，共91页。 两侧P+层和N+层很薄，吸收(xshu

4、)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。 另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。 第9页/共90页第十页，共91页。PIN光电二极管具有如下主要特性(txng)： (一) 量子效率和光谱特性(txng)。 (1) 光电转换效率用量子效率或响应度表示。量子效率的定义为一次光生电子 -空穴对和入射光子数的比值ehfPIhfPeIPP00/入射光子数空穴对光生电子对(3.13)第10页/共90页第十一页，共91页。 响应响应(xingyng)度的定义为一次光生电流度的定义为一次光生电流IP和入射光功率和入射光功率P0的比

5、值的比值 )/(0WAhfePIP(3.14)式中， hf 为光子能量， e为电子(dinz)电荷。 第11页/共90页第十二页，共91页。 （2） 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱谱(x shu un p)()，对长波长的限制由式，对长波长的限制由式(3.6)确定，确定，即即c= hc /Eg。 图图3.22示出量子效率示出量子效率和响应度和响应度的光谱特性，由图可见的光谱特性，由图可见，Si 适用于适用于0.80.9m波段，波段，Ge 和和InGaAs 适用于适用于1.31.6 m波段。响应度一般为波段。响应度一般为0.50.6 (A/

6、W)。 第12页/共90页第十三页，共91页。图3-22 PIN光电二极管响应度、 量子效应率 与波长 的关系1030507090GeInGaAs00.81.0m (W-1)Si第13页/共90页第十四页，共91页。 (二) 响应时间和频率特性。 光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。 对于(duy)数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。第14页/共90页第十五页，共91页。 当光电二极管具有单

7、一(dny)时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间 =r=f=2.20 (3.16) 对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义(dngy)为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数0时， 第15页/共90页第十六页，共91页。rcf35.0210（3.17） PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路(dinl)RC常数所确定。 当调制频率与渡越时间(shjin)d的倒数可以相比时， 耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以

8、表示为第16页/共90页第十七页，共91页。(3.18)2/)2/sin()0()(ddwwwvfsdc42.042.0（3.19） 式中，渡越时间(shjin)d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度， 比例于电场强度。 由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间(shjin)d，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率。第17页/共90页第十八页，共91页。10100100010000100060020010060 40 20 10641.01.06 mSi-PIN0.950.900

9、.850.800.6328 / MHz / m400图3.23 内量子效率和带宽的关系第18页/共90页第十九页，共91页。 由电路RC时间常数限制的截止频率截止频率dtccRf21(3.20) 式中，Rt为光电二极管的串联电阻(dinz)和负载电阻(dinz)的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。 wACj(3.21) 式中，为材料介电常数(ji din chn sh)，A为结面积，w为耗尽层宽度。 第19页/共90页第二十页，共91页。 (三) 噪声。 噪声影响光接收机的灵敏度。 噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生) 热噪声(由负载电阻和后继放大器输入

10、电阻产生) （ 1 ）均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22) e为电子电荷(dinh)，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。 第20页/共90页第二十一页，共91页。 2eIPB 称为(chn wi)量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生) 2eIdB是暗电流产生的噪声。 暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。 第21页/共90页第二十二页，共91页。（1）均方热噪声电流(dinli)RKTB4(3.23)i2T= 式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载

11、电阻和放大器输入电阻并联的结果(ji gu)。 因此， 光电二极管的总均方噪声电流为 i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4(3.24)第22页/共90页第二十三页，共91页。 雪崩光电二极管(APD) 光电二极管输出电流 I和反偏压U的关系示于图3.24。 随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。 当反向偏压增加到一定(ydng)数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。第23页/共90页第二十四页，共91页。 如果电压增加到使电场达到如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子以上，初始电子(一次电子一次电子)在在高电场区获得足够能量而加速运动高电

12、场区获得足够能量而加速运动(yndng)。 高速运动高速运动(yndng)的电子和晶格原子相碰撞，的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，使晶格原子电离，产生新的电子产生新的电子 - 空穴对。空穴对。 第24页/共90页第二十五页，共91页。新产生的二次电子再次和原子(yunz)碰撞。 如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。 所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。 第25页/共90页第二十六页，共91页。 图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 U暗电流I00UB第26页/共90页第二十七页，共91页。 图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图

13、(只画出电子）I0NPP(N)光第27页/共90页第二十八页，共91页。图3.26 APD结构图电 极电 极光抗 反 射 膜NPP(P)E 图3.26示出的N+PP+结构被称为拉通型拉通型APD。第28页/共90页第二十九页，共91页。 对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数 1. 倍增因子 倍增因子g(一次光生电流产生(chnshng)的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。 PIIg0(3.25) APD的响应(xingyng)度比PIN增加了g倍。第29页/共90页第三十页，共91页。nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100(3.26) U

14、为反向(fn xin)偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。 当UUB时，RIo/UB1)是雪崩效应的随机性引起噪声(zoshng)增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声(zoshng)电流应为i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中， x为附加噪声(zoshng)指数。 第31页/共90页第三十二页，共91页。 同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x (3.27) 附加(fji)噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.

15、7。 当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。 第32页/共90页第三十三页，共91页。 光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性能。 APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求(yoqi)较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。 灵敏度要求(yoqi)不高的场合，一般采用PIN-PD。 第33页/共90页第三十四页，共91页。-5-15-5-15工作电压工作电压 /V120.51结电容结电容 Cj/pF0.21210响应时间响应时间250.11暗电流暗电流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度响应度1.0波长响应波长响应InGaAs-PINSi-PINm/)W/(A1ns/mm表表3.3 PIN光电二极管一般特光电二极管一般特性性第34页/共90页第三十五页，共91页。ns/0.4附加噪声指数附加噪声指数 x203030100倍增因子倍增因子 g406050100工作电压工作电压 /V60串扰串扰/dB51.3插入损耗插入损耗/dB88电光电光12磁光磁光1010机机械械开关类型开关类型表表3.8 两类光开关一般性能两类光开关一般性能第