通信工程師光檢測(cè)器

1.4.2 光檢測(cè)器

光檢測(cè)器目前主要是采用半導(dǎo)體光檢測(cè)器，半導(dǎo)體光檢測(cè)器負(fù)責(zé)完成光一電轉(zhuǎn)換，其工作原理如圖1-14所示。當(dāng)光照射到其表面時(shí)，到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下了空穴。在外加偏置電壓的情況下，電子空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)形成了電流，這個(gè)電流常稱為光生電流。

半導(dǎo)體光檢測(cè)器有足夠快的響應(yīng)速度、高的轉(zhuǎn)換效率、易于實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)可靠。描述光檢測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)如下。

（1）光譜響應(yīng)，波長(zhǎng)與所產(chǎn)生的電流大圖1-14半導(dǎo)體光檢測(cè)的原理小之間的關(guān)系。

（2）響應(yīng)度，光檢測(cè)器產(chǎn)生的電流（mA）與入射到光檢測(cè)器的光功率（mW）之比。

（3）量子效率，產(chǎn)生電流的電子數(shù)目與入射光功率的光子數(shù)之比。

（4）暗電流，在沒有光照射K流過光檢測(cè)器的電流值引起的暗電流噪聲。

（5）時(shí)間響應(yīng)，定義為光脈沖幅度從10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間（稱為上升時(shí)間）和從90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間（稱為下降時(shí)間）。

（6）波長(zhǎng)響應(yīng)，定義為光檢測(cè)器能響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍。

（7）截止波長(zhǎng)，定義為光檢測(cè)器所能響應(yīng)的最低波長(zhǎng)。

（8）時(shí)間常數(shù)，由PN結(jié)電容Cd和負(fù)載電阻決定。

通信系統(tǒng)常用的光檢測(cè)器有光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。

1.（PIN）光電二極管

在P型半導(dǎo)體和N型號(hào)半導(dǎo)體之間加入一種輕微摻雜的本征半導(dǎo)體，這樣的光電二極管稱為PIN光電二極管，I的含義是指中間這一層是本征半導(dǎo)體。PIN光電二極管的耗盡層很寬，幾乎是整個(gè)本征半導(dǎo)體的寬度，而P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的寬度與之相比是很小的，因而大部分光均在此區(qū)域被吸收，從而提高了量子效率和響應(yīng)速度。

提高量子效率與響應(yīng)速度的更有效的方法是使半導(dǎo)體在工作波長(zhǎng)上對(duì)光是透明的，因而工作波長(zhǎng)應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體的截lh波長(zhǎng)，在此區(qū)域?qū)獠晃?，如圖1-15所示，P型和N型半導(dǎo)體采用InP半導(dǎo)體材料，本征半導(dǎo)體采用InGaAs材料，這樣的光檢測(cè)器稱為雙異質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)，因?yàn)樗瑑蓚€(gè)完全小同的半導(dǎo)體材料組成的兩個(gè)PN結(jié)。InP的截止波長(zhǎng)為0.92nm,InGaAs的截止波長(zhǎng)為1.3-1如m,因此采用InP半導(dǎo)體材料的P型和N型半導(dǎo)體在1.3-1.6nm波長(zhǎng)是透明的，光電流的擴(kuò)散部分完全減少了。

2.雪崩光電二極管

光生電子如果在強(qiáng)電場(chǎng)面的作用下，獲得了足夠能最就會(huì)誘發(fā)許多的電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶，即產(chǎn)生二次電子一空穴對(duì)，這些二次電子一空穴對(duì)又被加速獲得足夠的能量引發(fā)更多的電子一空穴對(duì)，這一過程稱為雪崩放大，把具有這種特性的光電二極管稱為雪崩光電二極管（APD）。

APD可以對(duì)尚未進(jìn)入后面放大器的輸入電路的初級(jí)光電流進(jìn)行內(nèi)部放大。這樣可以顯著地增加接收機(jī)的靈敏度，這是因?yàn)樵谶€沒有遇到接收機(jī)電路的熱噪聲之前就己放大了光電流。為了達(dá)到載流子的倍增，光生載流子必須穿過一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)的高場(chǎng)區(qū)。在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)，光生電子或空穴可以獲得很高的能量，因此它們高速碰撞在價(jià)帶的電子上使之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對(duì)，這種載流子倍增的機(jī)理稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象就是所謂的雪崩效應(yīng)。當(dāng)偏置電壓低于二極管的擊穿電壓時(shí)，產(chǎn)生的載流子總數(shù)是有限的。偏置電壓高于擊穿電壓時(shí)，產(chǎn)生的載流子就可以無(wú)限多了。

最常用的具有低倍增噪聲的結(jié)構(gòu)是拉通型的APD（RAPD），如圖1-16所示。拉通型APD先是把一種高阻的P型材料作為外延層而沉積在P+（P型重?fù)诫s）材料上，然后在高阻區(qū)進(jìn)行P型擴(kuò)散或電離摻雜，最后一層是一個(gè)N+（N型重?fù)诫s）層。對(duì)于硅材料，一般采用硼和磷進(jìn)行摻雜。這種結(jié)構(gòu)稱為P+71PN+拉通型結(jié)構(gòu)。71層主要是帶有少量P摻雜的本征材料。“拉通”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)源于光電二極管的工作情況。當(dāng)加上一個(gè)較低的反向偏置電壓時(shí)，

大部分的電壓降在PN+結(jié)上。增加電壓，耗盡區(qū)寬度也將增加，直到加到PN+結(jié)上的峰值電場(chǎng)低于雪崩擊穿所需電場(chǎng)的5%-10%時(shí)才停止，此時(shí)耗盡區(qū)也正好拉通到了整個(gè)木征區(qū)。在一般的操作過程中，RAPD工作于完全耗盡的方式。光子從P+R進(jìn)入，并在n區(qū)被吸收，n區(qū)就是收集光生載流子的區(qū)域。光子被吸收后釋放它的能量，產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)立即由n區(qū)的電場(chǎng)分開，然后通過71區(qū)漂移到PN+結(jié)區(qū)，PN+結(jié)上的高電場(chǎng)使得電子產(chǎn)生雪崩倍增。

由一個(gè)（主要）電子通過雪崩產(chǎn)生的二次電子一空穴對(duì)數(shù)目是隨機(jī)的，其平均數(shù)目稱為雪崩增益，用G來(lái)表示（G=Im/Ip,其中Im是雪崩增益后的輸出電流平均值，Ip是未經(jīng)倍增時(shí)的初始光電流）。G是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值。APD的雪崩增益G可以很大，然而大的G值也伴隨著光電流的大的起伏，產(chǎn)大的APD噪聲，因此在增益和噪聲之間應(yīng)進(jìn)行折中，選擇合適的G值以使其性能最佳。

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