硅光电二极管的电流

1、光探测器、光纤通信第7章、光信号、光电转换、前放大、主发射器、平衡过滤器、鉴别器、时钟恢复、输出、AGC电路、时钟提取和数据回放(CDR)光接收器能够检测传输的弱光信号，并产生放大、整形、输入信号。该地址器是利用光电效应将光信号转换为电信号的光电探测器。对光探测器的要求是高灵敏度、快响应速度、低噪声、低成本和高可靠性，感光面必须与光纤芯径相匹配。半导体材料制成的光电探测器符合这种要求。7.1光检测原理7.2光电倍增管7.3半导体光电光电二极管7.4针光电二极管7.5雪崩光电二极管7.6光接收器，chapter 7 light detector，light detector，7.1 princi

2、ples of photodetection光检测原理，抗逆性响应度，光探测器的输出电流与入射光功率的比率称为响应度。单位：安培瓦特/伏特瓦特，光电探测器的主要性能指标，2 .光谱响应，探测器响应度和波长之间的函数关系。随着入射光功率的阶跃变化，探测器的输出电流从最大值的10%上升到90%所用的时间。3 .Rise Time上升时间tr、输入功率波形、探测器输出的电流波形、7.2 Photomultiplier光电倍增管、阴极、阳极、发射电子、入射光子、vacuum photode真空光电二极管、Vacuum photodiode如果光子能量HF大于函数函数，电子可以吸收光子并逸出。否则，入射

3、光再强也不会产生光电效果。因此，由某种材料制成的光电二极管(cut off wavelength)C:如果光波大于此值，则入射光子缺乏能量激发探测器，因此无法检测，如果波长小于此值，则光子能量可以检测到超过功函数。示例7.1，铯是共同的光致发光材料，其作用函数为1.9eV，计算阻塞波长。如果光波长小于这个值，光子能量必须超过空函数，才能被检测为铯阴极。量子效率是指入射光子转换成光电的效率。这被定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数的比率。也就是说，检测电流与光的功率成正比，Quantum Efficiency量子效率在光电二极管应用中产生100个光子，产生30至95个电子-空心对，因此探测

4、器的量子效率范围为30%至95%。示例7.2假定在0.8um波段中探测器的量子效率为1%，并测试其响应能力。根据示例7.3，7.2的结果，检测器接收到1uW的光时，计算50欧负载电阻两端的电压。光倍增(PMT)、阴极、阳极、二次发射电子、入射光子、倍增电极、光倍增电极、每个倍增电极的增益(Gain)表示每个入射电子产生的二次发射电子数的平均值通常在2到6之间。假定每个倍增电极的增益为，总增益为通过外部电路的电流：例如7.4，光电倍增管有9个倍增电极，每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍增管的电流放大倍数。例如，假设具有7.5，7.4增益的PMT，首先用于检测波长为1uW，0.8um的光信号，阴

5、极的效率为1%，负载为50 EUR。计算响应、电流和输出电压。，Photomultiplier，光电倍增器创建放大信号的内部增益，而不会显着降低信噪比，放大器的外部增益通常引入噪声，从而降低信噪比。光电倍增管反应快，低于1ns。缺点：成本高、体积大、重量大，需要提供数百伏偏置电压的电压源。半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度高，响应速度快，可以在几伏的偏压下工作。如果PN型光电二极管PIN型光电二极管雪崩(APD)光电二极管、7.3 Semiconductor Photodiode半导体光电二极管、入射光子的能量超过波段能量Eg，则耗尽区域(PN连接的连接区域，即没有自由电子的中间屏障区域)

6、每次吸收一个光子时，都会吸收一个电子，光检测原理-减震，PN结光电检测原理，电子能量，自由电子生成，导带，自由孔生成，原子价带，结区，光电二极管(PD)是在反向偏置下工作的PN结二极管，光电二极管生成的光电探测器的核心是PN结的光电效应。PN接头加入反向偏移后，电场方向与PN接头中内建电场的方向一致，挡墙得到增强，并且PN接头介面附近基本上没有载流量。这称为耗尽区域。当光束进入PN连接，光子能量HF大于半导体材料的带隙Eg时，价带中的电子将光子能量转换为导带，从而形成电子-孔对。PN结光电检测原理，光电转换装置原理：光吸收被半导体材料吸收，入射光子能量HF超过带隙能量时，光子被半导体吸收时，产

7、生电子-孔对。在设定为外部电压的电场中，电子和孔通过半导体流动电流，这称为光电流。PN型光电二极管检测原理说明简单PN结光电二极管有两大缺点。第一，响应速度慢。第二，量子效率很低，响应度很低。结构：p和n型半导体材料之间插入掺杂浓度极低的半导体材料层(如Si)，以I记录，称为固有领域。工作方式：入射光从p侧进入，在耗尽地区光吸收产生的电子-空泡对在内置电场作用下分别向左和向右移动，产生光电流。7.4 PIN Photodiode PIN光电二极管，7.4.1 Cutoff Wavelength截止波长，对于确定的半导体检测材料，只能检测小于截止波长的波长的光，探测器的量子效率随波长的变化而变化

8、，此特性称为响应谱。si: c=1.06m，使用范围：0.5 1.0 m ge: c=1.6m，使用范围：1.1 1.7 15cm in GaAs:c=1.6m，使用范围：首先，材料的带隙决定了截止波长大于检测到的光波波长。否则，材料对光透明，不能进行光电子转换。第二，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si-pin光电二极管的波长响应范围为0.5至1 m，ge-pin和in GaAs-pin光电二极管的波长响应范围约为1至1.7m。7.4.3电流电压特性，光电导区，光电特殊区，光电二极管(v)，光电二极管电流(uA)，硅光电二极管的电流电压特性曲线，cuu(light detect

9、or)光电模式：没有偏置电压时，入射光功率产生正向电压。(太阳能电池)暗电流：没有光电的时候，向相反方向倾斜的二极管内也存在小的反电流。暗电流由二极管内的自由电荷载流子热运动产生。影响接收器的信噪比。Dark Current暗电流，暗电流表示光探测器上无光入射时的电流。温度越高，被温度激发的电子数越多，暗电流就越大。暗电流决定了可以检测到的最小光力，即光电二极管的灵敏度。示例7.6，响应0.5A/W，估计暗电流为1nA的pin光电二极管的最小检测功率。7.4.4响应速度、响应速度、PIN光电二极管的性能参数、量子效率响应也指示暗电流、无光时产生的反向电流，并影响接收器的信噪比；表示对光信号的反

10、应能力的响应速度，经常使用光脉冲响应上升的时间表示。影响响应速度的连接容量(pF)。雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度探测器，利用雪崩倍增效应使光电流加倍。APD旨在承受高反向偏移，从而在PN连接内部形成高电场区域。APD生成最多一对电子-孔，7.5 Avalanche Photodiodes雪崩光电二极管APD、Avalanche Photodiodes、pin :1光子生成最多一对电子-孔，无增益的APD:使用电离碰撞生成一个光子生成多个电子-孔对VBR是二极管的击穿电压，n是大于1的经验参数。典型APD的响应度介于20A/W和80A/W之间。上升时间定义为输入阶跃功率时探测器输出最大

11、光电流值的10%到90%所需的时间。APD的响应速度(上升时间)限制为托架通过时间和RC电路的时间常数。上升时间定义、光传感器的噪声、光接收器的噪声影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪音。分为粒子噪音和热噪音两类。泄漏电流噪声：如果光电探测器表面的物理状态不完整，加上偏置电压，则可能产生小的泄漏电流噪声，但这种噪声不是固有噪声，可以通过光学探测器的合理设计通过良好的结构和严格的过程减少。APD倍增噪声：使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性会产生附加噪声。粒子噪声，光电电流是围绕粒子噪声的电流起伏is(t)的平均统计值波动的随机变量。光电二极管中的光生成电流粒子噪声

12、是平均平方粒子噪声电流，可以表示雪崩光电二极管中的粒子噪声。减少粒子噪声、超额噪声指数FA粒子噪声的方法：在确定电路之前，可以使用过滤器缩小通道的带宽。热噪声：在导电介质内，自由电子和振动离子之间的热相互作用引起的随机脉动。热噪声表示为平均平方热噪声电流，光电二极管的总噪声电流为平均平方值，光电探测器比较，针脚响应度为0.5A/W至0.7A/W，APD为数十倍，双光电二极管为数百倍。针脚探测器便宜，对温度不敏感，所需的反向偏移电压低，在大多数情况下比APD更受欢迎。APD检测器和具有特别高的检测灵敏度的载波倍增效应，但需要更多的偏置电压和温度补偿电路。APD的高增益对于长距离线路或系统功率限制

13、系统是必需的。在850nm下工作的Si设备比较短距离应用程序中对大多数链接都是相对便宜的解决方案的光电探测器。远距离链路通常需要在1330nm和1550nm窗口中工作，因此通常使用基于InGaAs的设备。7.6 Light Receiver光学接收器，1 .The Front，前：由光电二极管和前置放大器组成。作用：将耦合到光探测器的光信号转换为时变电流，进行预放大(电流-电压转换)以进一步处理。是光接收器的核心。要求：低噪音、高灵敏度、足够的带宽、The Front、light detector选择：取决于特定应用程序。pin光电二极管具有良好的光电转换线性，不需要高工作电压，响应速度快。A

14、PD的主要优点是具有载流量乘数效应，探测灵敏度特别高，但需要更多的偏置电压和温度补偿电路。考虑到简化接收器电路，一般使用接脚光电二极管作为光探测器。前置放大器的主要作用是保持检测到的电信号不失真的放大和噪声最小化，通常采用场效应晶体管(fet) 针/fet。Preamplifier，优点：宽带、低噪声、高灵敏度、动态范围、稳定性能、易于集成的优点(通过调整RF控制增益)，广泛采用。Linear channel、Filter、Filter角色：平衡扭曲和严重代码之间干扰的信号，使其尽可能返回到原始状态，从而帮助确定计时。Ruling regeneration and clock extraction时钟恢复和确定电路；操作：将线性通道输出的馀弦波形恢复为数字信号、晶体、时钟恢复、输出、Ruling regeneration、信号低于确定阈值级别时，确定为代码“0”。光接收器规格、灵敏度Sensitivity:接收器在位错误率下工作所需的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，说明了准确检测光信号的能力。比特错误率：接收器确定电路错误确定一个比特的概率。量子极限假定光探测器具有理想的特性，量子效率为1，没有热噪声，没有暗电流的情况下，给定比特错误率所需的最小接收光功率的数字系统的此最小接收功率值为量子极限。量子限制是系统特性的基本物理限制，大多数接