光检测器介绍PINAPD详细讲解.ppt

1、光检测器介绍,光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响,主要内容,光电检测器的要求,光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换。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； - 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电检测器有两种：pin光电二极管和AP

2、D雪崩光电二极管。,光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴对在外部电场作用下定向移动产生电流。,6.1 光电二极管的物理原理,只有少数载流子在电场作用下漂移,多数载流子的 扩散行为被反 向电场抑制,由于常态下少数载流子含量很少，因此漂移行为非常微弱,pin光电二极管的结构,pin 光电二极管是在掺杂浓度很高的p型、n型半导体之间加一层轻掺杂的n型材料，称为i (本征)层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，加反向偏置电压后形成一个很

3、宽的耗尽层。,耗尽区,pin光电二极管的工作原理,+,-,1. 能量大于或等于带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子空穴对 (光生载流子)。 2. 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， 然后它们在边界 处被吸收，从而 在外电路中形成 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，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp，这个距离即扩散长度，分别由下式决定： Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp为电子和空穴重新复合所需的时间，称为载流子寿命。 在半导体材料中光功率的吸收

4、呈指数规律： 其中as(l)为材料在波长l处的吸收 系数，P0是入射光功率，P(x)是通 过距离x后所吸收的光功率。,电子和空穴的扩散长度,as(l) 增加,P(x),x,不同材料吸收系数与波长的关系,材料的截止波长lc由其带隙能量Eg决定： 若波长比截止波长更长，则光子能量不足以激励出一个光子。 此图还说明，同一个材料对短波长的吸收很强烈 (as大) 。而且短波长激发的载流子寿命较短，因为粒子的能级越高，越不稳定。,光子能量增大方向,特定的材料只能用于 某个截止波长范围内,有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300 k时其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为： 因此，检测器不能用于波

5、长范围大于869 nm的系统中。,例,如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：,如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：,其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射光子数之比：,pin的量子效率,有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6106 个，平均产生了 5.4 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于： 在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就越慢。因此二者构成一对折衷。,例,光电

6、二极管的性能常使用响应度 来表征：,例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光电流为：,pin的响应度,响应度、量子效率 vs. 波长,给定波长，h与Pin无关,给定波长，R为常数,造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短,由光子能量不足造成,如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：,当波长为1300 nm时：,当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例如In0.53Ga0.47As的

7、带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：,当波长1100 nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收，所产生的电子空隙对的复合寿命很短，很多载流子并没有产生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。,例,雪崩二极管 (APD),设计动机：在光生 电流尚未遇到后续 电路的热噪声时已 经在高电场的雪崩 区中得到放大，因 此有助于显著提高 接收机灵敏度,耗尽区,高阻材料,工作过程,拉通型雪崩二极管 (RAPD),“拉通”来源于其工作情况，当施加一个较低的反向电压时，大部分电压降在pn+结上。当电压增加时，耗尽区宽度增加，直到pn+结上的电压低于雪崩击穿电压5%10%时才停止，此时耗尽区正好

8、拉通到整个本征p区。,高阻材料,带有少量p掺杂的本征材料,p+ppn+结构,光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：,其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般为 2.57。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。 类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：,倍增因子和响应度,一种硅APD在波长900 nm时的量子效率为65%，假定0.5 mW的光功率产生的倍增电流为10 mA，试求倍增因子M。初级光电流为：,倍增因子M为：,例,6.2 光检测器噪声,输出端光信噪

9、比： S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率) 为了得到较高的信噪比： 1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率 2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低,噪声来源,信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初级光电流为：,对于pin，均方信号电流为：,对于APD，均方信号电流为：,信号部分：光生电流信号,光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有随机性，从而带来量子噪声。对于接收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流由下式决定： 其中F(M) Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。 另外暗电流是指，没有光入射时流过检测器偏置电路的电流，它是体

10、暗电流iDB和表面暗电流iDS之和。iDB来自于检测器的pn结内因为热运动而产生的电子空穴。对于APD，iDB为： 表面暗电流由表面结构(缺陷、清洁程度、面积大小)和偏置电压决定：,噪声部分：量子噪声和暗电流噪声,会被雪崩区放大,不会被雪崩区放大,因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在01之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。,雪崩倍增噪声,APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪声。这里定义F为过剩噪声因子，它

11、近似等于：,光检测器的总均方噪声电流为：,放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL，因此检测器的负载热噪声由RL的热噪声决定：,总噪声,其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。,InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级体暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率h=0.90，表面暗电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收机带宽为20 MHz，计算接收机的各种噪声。,首先计算初级光电流：,量子噪声均方根电流：,例,光检测器暗电流：,负载均方热噪声电流为：,例 (续),小结：对于 pin 光电二极管，主要噪声电流来自检测器负载电阻和放

12、大电路的有源器件；而对于雪崩二极管，热噪声并不占重要地位，主要噪声来源于光检测器的量子噪声和体暗电流。,信噪比,6.3 检测器响应时间,光电二极管的响应时间是指它的光电转换速度。影响响应时间的主要因素： 1 耗尽区的光载流子的渡越时间； 2 耗尽区外产生的光载流子的扩散时间； 3 光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。 影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数as、等效电容、等效电阻等。,一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的极限速度。 例如：耗尽层为10 mm的Si光电二极管 电场强度：20000 V/cm 电子最大速度：8.4 x 106 cm/s 空穴最大速度：

13、4.4 x 106 cm/s 极限响应时间：0.1 ns,光载流子渡越时间,耗尽区内产生的光生载流子,光载流子扩散时间,耗尽区外产生的光生载流子,p区或n区产生的载流子,向耗尽区扩散,在耗尽区内漂移到电极,存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间 解决办法：尽量扩大耗尽层宽度,扩散速度 漂移速度,当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间tr和下降tf时间来表示。 在理想情况下tr = tf，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度远小于漂移速度，使得trtf，造成脉冲不对称。,上升时间和下降时间,光电二极管脉冲响应,1. 为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w必须大于1/as (吸 收系数的倒数)，以便可以吸收大部分的光； 2. 同时如果w较大，会让二极管结电容C变小，于是RLC常数 变小，从而得到较快的响应； 3. 但是过大的w会导致渡越时间的增大 折衷取值范围：1/as w 2/as,带宽,设RT是负载电阻和放大器输出电阻的组合，CT是光电二极管结电容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个RC低通滤波器，其带宽为：,例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大器电容为4 PF，负载电阻为1 K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT = 7 PF，RT =1 K欧姆，所以电路带宽： 如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。,