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1、第4章光檢測(cè)器和光接收器光檢測(cè)器的工作原理光檢測(cè)器的特性參數(shù)光接收機(jī)光收發(fā)合一模塊光纖通信技術(shù)的回顧和展望4.1光檢測(cè)器的工作原理光檢測(cè)器的作用是將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。其工作過(guò)程的基本機(jī)理是光的吸收，見(jiàn)第1章1.1節(jié)。當(dāng)能量超過(guò)禁帶寬度Eg的光子入射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，每一個(gè)光子若被半導(dǎo)體材料吸收將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，如果此時(shí)在半導(dǎo)體材料上加上電場(chǎng)，電子-空穴對(duì)就會(huì)在半導(dǎo)體材料中渡越，形成光電流。圖4.1.1說(shuō)明了光檢測(cè)器的工作原理。 圖4.1.1光檢測(cè)器的工作原理 左側(cè)入射的信號(hào)光透過(guò)P＋區(qū)進(jìn)入耗盡區(qū)，當(dāng)PN結(jié)上加反向偏置電壓時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)受激吸收生成
2、的電子-空穴對(duì)分別在電場(chǎng)的作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P＋區(qū)漂移，從而在外電路形成了隨光信號(hào)變化的光生電流信號(hào)。耗盡區(qū)的寬度由反向電壓的大小決定。符號(hào)P＋表示重?fù)诫s區(qū)。4.1.1PIN光檢測(cè)器PIN光檢測(cè)器也稱(chēng)為PIN光電二極管，在此，PIN的意義是表明半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)，P+和N型半導(dǎo)體材料之間插入了一層摻雜濃度很低的半導(dǎo)體材料（如Si），記為I，稱(chēng)為本征區(qū)，如圖4.1.2所示。圖4.1.2PIN光電二極管在圖4.1.1中，入射光從P+區(qū)進(jìn)入后，不僅在耗盡區(qū)被吸收，在耗盡區(qū)外也被吸收，它們形成了光生電流中的擴(kuò)散分量，如P+區(qū)的電子先擴(kuò)散到耗盡區(qū)的左邊界，然后通過(guò)耗盡區(qū)
3、才能到達(dá)N區(qū)，同樣，N區(qū)的空穴也是要擴(kuò)散到耗盡區(qū)的右邊界后才能通過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)P+區(qū)。我們將耗盡區(qū)中光生電流稱(chēng)為漂移分量，它的傳送時(shí)間主要取決于耗盡區(qū)寬度。顯然擴(kuò)散電流分量的傳送要比漂移電流分量所需時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)果使光檢測(cè)器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長(zhǎng)，由此產(chǎn)生的時(shí)延將影響光檢測(cè)器的響應(yīng)速度。設(shè)耗盡區(qū)寬度為w，載流子在耗盡區(qū)的漂移時(shí)間可由下式計(jì)算，即（4.1.1）是載流子的漂移速度；如果耗盡區(qū)的寬度較窄，大多數(shù)光子尚未被耗盡區(qū)吸收，便已經(jīng)到達(dá)了N區(qū)，而在這部分區(qū)域，電場(chǎng)很小，無(wú)法將電子和空穴分開(kāi)，所以導(dǎo)致了量子效率比較低。的典型值為100ps。實(shí)際上，PN結(jié)耗盡區(qū)可等效成電容，它的大小與
4、耗盡區(qū)寬度的關(guān)系如下：（4.1.2）式中，?是半導(dǎo)體的介電常數(shù)；A是耗盡區(qū)的截面積。Cd的典型值為1～2pF。可見(jiàn)，耗盡區(qū)寬度w越窄，結(jié)電容越大，電路的RC時(shí)間常數(shù)也越大，不利于高速數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到漂移時(shí)間和結(jié)電容效應(yīng)，光電二極管的帶寬可以表示成（4.1.3）式中，RL是負(fù)載電阻。由上述分析可知，增加耗盡區(qū)寬度是非常有必要的。由圖4.1.2可見(jiàn)，I區(qū)的寬度遠(yuǎn)大于P+區(qū)和N區(qū)寬度，所以在I區(qū)有更多的光子被吸收，從而增加了量子效率；同時(shí)，擴(kuò)散電流卻很小。PIN光檢測(cè)器反向偏壓可以取較小的值，因?yàn)槠浜谋M區(qū)厚度基本上是由I區(qū)的寬度決定的。當(dāng)然，I區(qū)的寬度也不是越寬越好，由式（4.1.1）
5、和式（4.1.3）可知，寬度w越大，載流子在耗盡區(qū)的漂移時(shí)間就越長(zhǎng)，對(duì)帶寬的限制也就越大，故需綜合考慮。由于不同半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收系數(shù)不同，所以本征區(qū)的寬度選取也各不相同。例如SiPIN光吸收系數(shù)比InGaAsPIN小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以它的本征區(qū)寬度大約是40?m，而InGaAsPIN本征區(qū)寬度大約是4?m。這也決定了兩種不同材料制成的光檢測(cè)器帶寬和使用的光波段范圍不同，SiPIN用于850nm波段，InGaAsPIN則用于1310nm和1550nm波段。4.1.2APD光檢測(cè)器APD光檢測(cè)器也稱(chēng)為雪崩光電二極管（AvalanchePhotodiode），其工作機(jī)理如下：
6、入射信號(hào)光在光電二極管中產(chǎn)生最初的電子-空穴對(duì)，由于光電二極管上加了較高的反向偏置電壓，電子-空穴對(duì)在該電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)，獲得很大動(dòng)能，當(dāng)它們與中性原子碰撞時(shí)，會(huì)使中性原子價(jià)帶上的電子獲得能量后躍遷到導(dǎo)帶上去，于是就產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)稱(chēng)為二次電子-空穴對(duì)。這些二次載流子同樣能在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，碰撞別的中性原子進(jìn)而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這樣就引起了產(chǎn)生新載流子的雪崩過(guò)程。也就是說(shuō)，一個(gè)光子最終產(chǎn)生了許多的載流子，使得光信號(hào)在光電二極管內(nèi)部就獲得了放大。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，APD與PIN的不同在于增加了一個(gè)附加層P，如圖4.1.3所示。在反向偏置時(shí)，夾在I層與N+層間
7、的PN+結(jié)中存在著強(qiáng)電場(chǎng)，一旦入射信號(hào)光從左側(cè)P+區(qū)進(jìn)入I區(qū)后，在I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中的電子迅速漂移到PN+結(jié)區(qū)，PN+結(jié)中的強(qiáng)電場(chǎng)便使得電子產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。圖4.1.3APD光電二極管與PIN光檢測(cè)器比較起來(lái)，光電流在器件內(nèi)部就得到了放大，從而避免了由外部電子線路放大光電流所帶來(lái)的噪聲。我們從統(tǒng)計(jì)平均的角度設(shè)一個(gè)光子產(chǎn)生M個(gè)載流子，它等于APD光電二極管雪崩后輸出的光電流IM與未倍增時(shí)的初始光電流IP的比值（4.1.4）式中，M稱(chēng)為倍增因子。倍增因子與載流子的電離率有
