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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
InGaAsAPD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APD雪崩光电二极管。
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宽的耗尽层。
耗尽区
pin光电二极管的工作原理
+
-
,可以产生自由电子空穴对(光生载流子)。
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
有一个光电二极管是由GaAs材料组成的,,其截止波长为:
因此,检测器不能用于波长范围大于869nm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6×106个,×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
响应度、
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