電子工業出版礻 第4章光检测器和光接收器 口光检测器的工作原理 口光检测器的特性参数 口光接收机 口光收发合一模块 口光纤通信技术的回顾和展望
第4章 光检测器和光接收器 光检测器的工作原理 光检测器的特性参数 光 接 收 机 光收发合一模块 光纤通信技术的回顾和展望
電子工業出版礻 4.1光检测器的工作原理 Publishing House of Electronics Inoustry 光检测器的作用是将接收到的光信号转换成电流信号。其工作过程的基 本机理是光的吸收,见第1章1.1节。当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导 体材料上时,每一个光子若被半导体材料吸收将会产生一个电子空穴对,如果 此时在半导体材料上加上电场,电子-空穴对就会在半导体材料中渡越,形成光 电流。图4.1.1说明了光检测器的工作原理。 耗尽区 图41.1光检测器的工作原理 左侧入射的信号光透过P+区进入耗尽区,当PN结上加反向偏置电压时, 耗尽区内受激吸收生成的电子空穴对分别在电场的作用下做漂移运动,电子向N 区漂移,空穴向P十区漂移,从而在外电路形成了随光信号变化的光生电流信号。 耗尽区的宽度由反向电压的大小决定。符号P十表示重掺杂区
4.1 光检测器的工作原理 光检测器的作用是将接收到的光信号转换成电流信号。其工作过程的基 本机理是光的吸收，见第1章1.1节。当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导 体材料上时，每一个光子若被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，如果 此时在半导体材料上加上电场，电子-空穴对就会在半导体材料中渡越，形成光 电流。图4.1.1说明了光检测器的工作原理。 图4.1.1 光检测器的工作原理 左侧入射的信号光透过P＋区进入耗尽区，当PN结上加反向偏置电压时， 耗尽区内受激吸收生成的电子-空穴对分别在电场的作用下做漂移运动，电子向N 区漂移，空穴向P＋区漂移，从而在外电路形成了随光信号变化的光生电流信号。 耗尽区的宽度由反向电压的大小决定。符号P＋表示重掺杂区
4.1.1PN光检测器 岚電子工業出版社 PN光检测器也称为PN光电二极管,在此,PIN的意义是表明半导体材料的结构 和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料(如Si),记为I,称为 本征区,如图4.1.2所示。 耗尽区 图41.2PIN光电二极管 在图4.1.1中,入射光从P区进入后,不仅在耗尽区被吸收,在耗尽区外也被吸收,它 们形成了光生电流中的扩散分量,如P区的电子先扩散到耗尽区的左边界,然后通过 耗尽区才能到达N区,同样,N区的空穴也是要扩散到耗尽区的右边界后才能通过耗 尽区到达P区。我们将耗尽区中光生电流称为漂移分量,它的传送时间主要取决于耗 尽区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所需时间长,结果使光检测 器输出电流脉冲后沿的拖尾加长,由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。设 耗尽区宽度为,载流子在耗尽区的漂移时间可由下式计算,即 (4.1.1) 媞载流子的漂移速度;t的典型值为100ps。 如果耗尽区的宽度较窄,大多数光子尚未被耗尽区吸收,便已经到达了N区,而在这 部分区域,电场很小,无法将电子和空穴分开,所以导致了量子效率比较低
d tr v w t = d v tr t 4.1.1 PIN光检测器 PIN光检测器也称为PIN光电二极管，在此，PIN的意义是表明半导体材料的结构，P + 和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料（如Si），记为I，称为 本征区，如图4.1.2所示。 图4.1.2 PIN光电二极管 在图4.1.1中，入射光从P +区进入后，不仅在耗尽区被吸收，在耗尽区外也被吸收，它 们形成了光生电流中的扩散分量，如P +区的电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过 耗尽区才能到达N区，同样，N区的空穴也是要扩散到耗尽区的右边界后才能通过耗 尽区到达P +区。我们将耗尽区中光生电流称为漂移分量，它的传送时间主要取决于耗 尽区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所需时间长，结果使光检测 器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。设 耗尽区宽度为w，载流子在耗尽区的漂移时间可由下式计算，即 （4.1.1） 是载流子的漂移速度； 如果耗尽区的宽度较窄，大多数光子尚未被耗尽区吸收，便已经到达了N区，而在这 部分区域，电场很小，无法将电子和空穴分开，所以导致了量子效率比较低。 的典型值为100ps
電子工業出版礻 实际上,PN结耗尽区可等效成电容,它的大小与耗尽区宽度的关系如下: (4.1.2) 式中,E是半导体的介电常数;A是耗尽区的截面积。Ca的典型值为1~2pF。可见, 耗尽区宽度ν越窄,结电容越大,电路的RC时间常数也越大,不利于高速数据传输。 考虑到漂移时间和结电容效应,光电二极管的带宽可以表示成 BD2r(v/")+B(s/m(4.1.3) Bpi 式中,R1是负载电阻 由上述分析可知,增加耗尽区宽度是非常有必要的。 由图412可见,I区的宽度远大于P区和N区宽度,所以在I区有更多的光子被吸收, 从而增加了量子效率;同时,扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以取较小的 值,因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。 当然,I区的宽度也不是越宽越好,由式(4.1.1)和式(4.1.3)可知,宽度ν越大, 载流子在耗尽区的漂移时间就越长,对带宽的限制也就越大,故需综合考虑。由于 不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同,所以本征区的宽度选取也各不相同。 例如 Si PIN光吸收系数比 In gaAs pin小两个数量级,所以它的本征区宽度大约是 40um,而 In GaAs PIN本征区宽度大约是4um。这也决定了两种不同材料制成的光检 测器带宽和使用的光波段范围不同, Si pin用于850nm波段, In gaAs PIn则用于 1310nm和1550nm波段
实际上，PN结耗尽区可等效成电容，它的大小与耗尽区宽度的关系如下： （4.1.2） 式中， 是半导体的介电常数；A是耗尽区的截面积。Cd的典型值为1～2pF。可见， 耗尽区宽度w越窄，结电容越大，电路的RC时间常数也越大，不利于高速数据传输。 考虑到漂移时间和结电容效应，光电二极管的带宽可以表示成 （4.1.3） 式中，RL是负载电阻。 由上述分析可知，增加耗尽区宽度是非常有必要的。 由图4.1.2可见，I区的宽度远大于P +区和N区宽度，所以在I区有更多的光子被吸收， 从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以取较小的 值，因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。 当然，I区的宽度也不是越宽越好，由式（4.1.1）和式（4.1.3）可知，宽度w越大， 载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于 不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同。 例如Si PIN光吸收系数比InGaAs PIN小两个数量级，所以它的本征区宽度大约是 40m，而InGaAs PIN本征区宽度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检 测器带宽和使用的光波段范围不同，Si PIN用于850nm波段，InGaAs PIN则用于 1310nm和1550nm波段。 w A C d = 2 ( / ) ( / ) 1 d L P D w v R A w B + =
電子工業出版礻 4.1.2APD光检测器 Publishing House of Electronics Inoustry APD光检测器也称为雪崩光电二极管 ( Avalanche Photodiode),其工作机理如下:入射信 号光在光电二极管中产生最初的电子空穴对,由于光 电二极管上加了较高的反向偏置电压,电子空穴对在 该电场作用下加速运动,获得很大动能,当它们与中性 原子碰撞时,会使中性原子价带上的电子获得能量后跃 迁到导带上去,于是就产生新的电子空穴对,新产生 耗尽区 的电子-空穴对称为二次电子空穴对。这些二次载流子 同样能在强电场作用下,碰撞别的中性原子进而产生新 雪扇区 的电子-空穴对,这样就引起了产生新载流子的雪崩过 程。也就是说,一个光子最终产生了许多的载流子,使 得光信号在光电二极管内部就获得了放大。 从结构来看,APD与PN的不同在于增加了 个附加层P,如图4.1.3所示。在反向偏置时,夹在层 图4.1.3APD光电二极管 与N+层间的PN+结中存在着强电场,一旦入射信号光 从左侧P+区进入区后,在区被吸收产生电子-空穴对 其中的电子迅速漂移到PN+结区,PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应
4.1.2 APD光检测器 APD光检测器也称为雪崩光电二极管 （Avalanche Photodiode），其工作机理如下：入射信 号光在光电二极管中产生最初的电子-空穴对，由于光 电二极管上加了较高的反向偏置电压，电子-空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性 原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃 迁到导带上去，于是就产生新的电子-空穴对，新产生 的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。这些二次载流子 同样能在强电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新 的电子-空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过 程。也就是说，一个光子最终产生了许多的载流子，使 得光信号在光电二极管内部就获得了放大。 从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一 个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层 与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光 从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对， 其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应。 图4.1.3 APD光电二极管
与PIN光检测器比较起来,光电流在器件内部就得到了放大,从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子, 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流M与未倍增时的初始光电流的比值 M= (4.1.4) 式中,M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关,电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子一空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的,分 别α用α和表示,它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关,记为 式中,kA为电离系数,它是光检测器性能的一种度量对M的影响可由下式给出,即 (4.1.6) 当a=0时,仅有电子参与雪崩过程,M=e4增益随w指数增长;当=lk射,由式 (4.1.6)可得,出现雪崩击穿。通常,M值的范围在10~500之间 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大,考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系,常用经验公式描述它们的关系,即 1-(V/g (4.1.7) 式中,n是与温度有关的特性指数,n=2.5~7;VB是雪崩击穿电压,对于不同的半 导体材料,该值从70~200V不等;V为反向偏置电压,一般取其为vB的80%~90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压,以免损坏器件
与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子， 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 （4.1.4） 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分 别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 （4.1.5） 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对M的影响可由下式给出，即 （4.1.6） 当 时，仅有电子参与雪崩过程， ， 增益随w指数增长；当 且 时，由式 （4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 （4.1.7） 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半 导体材料，该值从70～200V不等；V为反向偏置电压，一般取其为VBR的80%～90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。 n BR 1 (V / V ) 1 M − = e h e h A k = A k A (1 ) A A e e 1 k k M k w − − = − − h = 0 w M e e = ew =1 kA →1 P M I I M =
42光检测器的特性参数421光检测器性能参数 1.量子效率 入射光(功率为Pn)中含有大量光子,能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之 比称为量子效率,它的计算由下式给出,即 P/hv (42.1) 式中,q为电子电荷(1.6×10-19C);为产生的光电流;h为普朗克常数;v为光子的 频率。量子效率的范围在50%~90%之间。 2.响应度 光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度,有 (4.2.2) 响应度的单位是AW。该特性表明光检测器将光信号转换为电信号的效率。R的典型值 范围是0.5~1.0AW。例如,Si光检测器在波长为900nm时,R值是0.65AW;Ge光检测 器的R值是0.45AW(1300nm时); Ingaas在波长为1300nm和1550nm时,响应度分别 是09A/W和10AW。 对于给定的波长,响应度是一个常数,但是当考虑的波长范围较大时,它就不是常数了 随着入射光波长的增加,入射光子的能量越来越小,如果小于禁带宽度时,响应度会在 截止波长处迅速下降。 响应度与量子效率的关系为 (42.3) 考虑到APD光检测器的雪崩效应,它的响应度可表示为 RAPD=M9=MRPIN (4.2.4) APD光检测器的响应度在0.75~130之间
4.2 光检测器的特性参数 4.2.1 光检测器性能参数 1．量子效率 入射光（功率为Pin）中含有大量光子，能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之 比称为量子效率，它的计算由下式给出，即 （4.2.1） 式中，q为电子电荷（1.6×10－19C）；IP为产生的光电流；h为普朗克常数；v为光子的 频率。量子效率的范围在50%～90%之间。 2．响应度 光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度，有 （4.2.2） 响应度的单位是A/W。该特性表明光检测器将光信号转换为电信号的效率。R的典型值 范围是0.5~1.0A/W。例如，Si光检测器在波长为900nm时，R值是0.65 A/W；Ge光检测 器的R值是0.45 A/W（1300 nm时）；InGaAs在波长为1300nm和1550nm时，响应度分别 是0.9 A/W和1.0 A/W。 对于给定的波长，响应度是一个常数，但是当考虑的波长范围较大时，它就不是常数了。 随着入射光波长的增加，入射光子的能量越来越小，如果小于禁带宽度时，响应度会在 截止波长处迅速下降。 响应度与量子效率的关系为 （4.2.3） 考虑到APD光检测器的雪崩效应，它的响应度可表示为 （4.2.4） APD光检测器的响应度在0.75～130之间。 P h I q / / in P = in P P I R = h q R = AP D MRP IN h Mq R = =
3.响应光谱 为了产生光生载流子,入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度,即满足条件 hv>E (42.5) 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长见表4.1 表4.1常用半导体材料的禁带宽度和对应波长 半导体材料 禁带宽度EeV 波长/m 1067 半导体材料禁带宽度E/e波长/m Ge 0.775 1610 GaAs 1424 876 InP 1.3 924 AlGaAs 1.42~192 879~650 In gaas 0.75~1.24 1664~1006 IngaAs 0.75~1.35 1664~924
3．响应光谱 为了产生光生载流子，入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度，即满足条件 （4.2.5） 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长见表4.1。 表4.1 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长 h Eg 半导体材料 禁带宽度Eg /eV 波长 /nm Si 1.17 1067 半导体材料 禁带宽度Eg /eV 波长 /nm Ge 0.775 1610 GaAs 1.424 876 InP 1.35 924 AlGaAs 1.42~1.92 879~650 InGaAs 0.75~1.24 1664~1006 InGaAs 0.75~1.35 1664~924
電子工業出版礻 式(4.2.5)也可以表示成 4.2.6) 式中,λ称为截止波长。也就是说,对确定的半导体检测材料,只有波长小于截止波 长的光才能被检测到,并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化,这种特性被 称做响应光谱。所以光检测器不具有通用性,各种材料的响应光谱不同。常用的光 电半导体材料有Si,Ge, IngaAs, IngaAsP, GaAsP等,图4.2.1示出了几种材料的响 应光谱 Ingaa 量子效率/% 80 40 0.40.60.81.01.2141.61.8 波长/ 图42.1半导体材料的响应光谱
式（4.2.5）也可以表示成 （4.2.6） 式中，c称为截止波长。也就是说，对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波 长的光才能被检测到，并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性被 称做响应光谱。所以光检测器不具有通用性，各种材料的响应光谱不同。常用的光 电半导体材料有Si，Ge，InGaAs，InGaAsP，GaAsP等，图4.2.1示出了几种材料的响 应光谱。 图4.2.1 半导体材料的响应光谱 c g = E hc
社 4.响应时间 响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。如前所述, 它主要受以下三个因素的影响: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光电二极管及与其相关的电路的RC时间常数 响应时间可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。当光电二极管的 结电容比较小时,上升时间和下降时间较短且比较一致;当光电二极管的结电容比 较大时,响应时间会受到负载电阻与结电容所构成的RC时间常数的限制,上升时间 和下降时间都较长。 般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间,对于PIN管而言,通常上升时间 t1<1ns;对于APD管而言,该值小于0.5ns 光检测器的带宽与上升时间成反比,它们的关系可表示为 0.35 (42.7) r 5.暗电流 暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。虽然没有入射光,但是在一定温度下 外部的热能可以在耗尽区内产生一些自由电荷,这些电荷在反向偏置电压的作用 流动,形成了暗电流。显然,温度越高,受温度激发的电子数量越多,暗电流越大 对于PIN管,设温度为7时的暗电流为(71),当温度上升到72时则有 4(72)=l(T1)2(2-c (4.2.8) 式中,C是经验常数,Si光电二极管的C值为8 暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率,也就是光电二极管的灵敏度 根据所选用半导体材料的不同,暗电流的变化范围在0.1~500nA之间
4．响应时间 响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。如前所述， 它主要受以下三个因素的影响：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 光电二极管及与其相关的电路的RC时间常数。 响应时间可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。当光电二极管的 结电容比较小时，上升时间和下降时间较短且比较一致；当光电二极管的结电容比 较大时，响应时间会受到负载电阻与结电容所构成的RC时间常数的限制，上升时间 和下降时间都较长。 一般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间，对于PIN管而言，通常上升时间 tr <1ns；对于APD管而言，该值小于0.5 ns。 光检测器的带宽与上升时间成反比，它们的关系可表示为 （4.2.7） 5．暗电流 暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。虽然没有入射光，但是在一定温度下， 外部的热能可以在耗尽区内产生一些自由电荷，这些电荷在反向偏置电压的作用下 流动，形成了暗电流。显然，温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。 对于PIN管，设温度为T1时的暗电流为Id (T1 )，当温度上升到T2时则有 （4.2.8） 式中，C是经验常数，Si光电二极管的C值为8。 暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率，也就是光电二极管的灵敏度。 根据所选用半导体材料的不同，暗电流的变化范围在0.1～500 nA之间。 r 0.35 t B = T T C I T I T ( )/ d 2 d 1 2 1 ( ) ( ) 2 − =
