光通信之光电检测器

光通信之光电检测器第1页，共20页，2023年，2月20日，星期三三大基本光器件光源：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。第2页，共20页，2023年，2月20日，星期三三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第3页，共20页，2023年，2月20日，星期三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，便宜第4页，共20页，2023年，2月20日，星期三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第5页，共20页，2023年，2月20日，星期三■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：

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PN光电二极管

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PIN光电二极管

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雪崩光电二极管APD1光电检测器第6页，共20页，2023年，2月20日，星期三■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。第7页，共20页，2023年，2月20日，星期三2PN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。第8页，共20页，2023年，2月20日，星期三●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。第9页，共20页，2023年，2月20日，星期三3PIN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光电二极管第10页，共20页，2023年，2月20日，星期三工作原理

光照hv>Eg-->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上有电流第11页，共20页，2023年，2月20日，星期三4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。第12页，共20页，2023年，2月20日，星期三四层结构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。第13页，共20页，2023年，2月20日，星期三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

-->雪崩倍增效果第14页，共20页，2023年，2月20日，星期三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第15页，共20页，2023年，2月20日，星期三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：种类第16页，共20页，2023年，2月20日，星期三5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。

第17页，共20页，2023年，2月20日，星期三■

使用场合：

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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。第18页，共20页，2023年，2月20日，星期三一、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。第19页，共20页，2023年，2月20日，