传输信号是一个两电平的二进制数据流，在持续 时间为Tb的时隙内不是0就是1，这个时隙称为一个 比特周期。
在电域中，对于给定的数字信息有许多种发送方 法，其中一种最简单发送二进制码的方法是幅移键 控，即对一个二值电压进行开或关的切换，所得到 的信号波形由两个幅度分别为V和0的电压脉冲组成 ，幅度为V的电压脉冲对应m于二进制码中的信号1， 后者对应于信号0，为简单起见，设发送一个1码时 ，有一个持续时间为Tb的电压脉冲；对应于0码，电 压保持在零值。
加上足够大的反向偏置电压，本征区 的载流子不会完全耗尽，即本征区固
有的n和p载流子的浓度非常小和掺杂
载流子相比可忽略。
当一个入射光子能量大于或等于半导体的 带隙能量时，将激励价带上的一个电子吸收光 子的能量而跃迁到导带上，此过程产生自由的 电子一空穴对，由于它们是因光而产生的电载 流子，故称为光生载流子，如图2.2所示。通常 光电二极管的设计使得大部分的入射光在耗尽 区吸收，故大部分载流子也在此区域产生。耗 尽区的高电场使电子一空穴对立即分开并在反 向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被 收集，从而在外电路中形成电流。每个载流子 对分别对应一个流动的电子，这种电流称为光 电流。
为获得较高的量子效率，耗尽区宽度必须大于1/αs
，这样才能吸收大部分的光。图5.4（b）所示为一 个低电容、耗尽区宽度w>> 1/αs 的光电二极管对
矩形输入脉冲的响应，它的上升与下降时间与输入
脉冲较一致；如果光电二极管电容较大，那它的响
应时间就会受RL和Rc时间常数所限制，其脉冲响应 如图5.4（c）;如耗尽区宽度太窄，则非耗尽材料产
P0是入射光功率，q是电子电荷，hv是光子 能量。
（I）量子效率和响应度 光电二极管的两个重要性参数是量子
效率和响应速度，这些参数主要由器件材
料的带隙能量Eg ,工作波长，p区，i区，n区
的掺杂浓度和宽度所决定。 量子效率表示每个能量为hv的入射光子所
产生的电子一空穴对数，由下式给出：

产生入的射电的子光一子空数穴对PI0P数 //hqv
n+
wm
p
雪崩区
i(π)
耗尽区
雪崩电离所需 的最小电场
p+
●RAPD工作原理：当加上一个较低的反向偏置电压 时，大部分的电压降在pn+结上，增加电压，耗尽 区宽度也将增加，直到加到pn+结上的峰值电场低
于雪崩击穿所需电场的5%～10%才停止，此时耗尽
区正好拉通到整个本征区，故RAPD工作于完全耗尽 的方式。光子从p+区进入，并在π处被吸收，π区就

最佳设计的PIN光电二极管，其Δf=20GHz。
w<1 μm，其Δf=70GHz, η 和 值均较低。
金属电极
InP衬底
InGaAs(i)
N型InP

N+-InP衬底
光输入
InGaAs PIN光电二极管
4 μm 金属电极
由于InP带隙为1.35eV，λ>0.9μm的光， InP是透明的，而晶格匹配的 InGaAs的带 隙 约 为 0.75eV 其 相 应 的 截 止 波 长
生的任何载流子在被吸收以前不得不扩散到耗尽区
，所以窄耗尽区的器件会有明显不同的慢速和快速
响应分量，如图5.4（d）。
●
图5.4 在不同的检测器参数条件下上升时间的快速分量起源于？（耗尽区
产生的载流子）；而慢速分量则源于？（耗尽区边界
Ln处的载流子的扩散）
在光脉冲的后沿，耗尽区的光脉冲吸收很快，
当电载流子在材料中流动时，一些电子 一空穴对会重新复合而消失，此时电子和空穴
的平均移动的距离分别为Ln和Lp，此距离称为
扩散长度。 电子和空穴重新复合的时间称为载流子
寿命，分别记为τn和τP 。载流子寿命和扩散
长度的关系可表示为：
Ln=（Dnτn）1/2 和Lp=（Dpτp）1/2 （1）
其中Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数， 其单位是cm2/s 。
hchc(6.6215034Js)3(180m/s)
7.2 5150
m
例如当波长 λ =1300nm 时，有： =7.25×105×1.30×10-6A/W=0.92A/W
●（2）雪崩光电二极管（APD）
APD可对尚未进入后面和放大器的输入电路的初级光
电流进行内部放大。在高场区，光生电子或空穴可 以获得很高的能量，因此它们高速碰撞位于价带的 电子,使之产生电离，从而激发出新的电子---空穴对 ，这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。
(6)
●在光电二极管的实际应中，100个光子会产生
35 ～ 95 个 电 子 一 空 穴 对 ， 为 30% ～ 95% 。 为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽 区的厚度，使其可以吸收大部分的光子， 但耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越 （across）反向偏置结的时间就越长。由 于载流子的漂移时间又决定了光电二极管 的响应速度，所以必须在响应速度和量子 效率之间取一折衷。
I p q
P0 hv
（7）
它描述了单位光功率产生的光生电流的大小。 随
波长及材料带隙不同而不变 。对给定材料与给定的
波长， 是常数；对于给定材料，当入射光的波长
越来越长时，光子能量越来越小，当这个能量不足 以从价带激发一个电子跃迁到导带上的能量要求时 ，响应度就会在截止波长处迅速降低，如图6.3示。
对si，λc=1.06μm；对Ge, λc=1.06μm。
如果波长更长，光子的能量就不足以激励一 个价带的电子跃迁到导带中。
请同学思考:有一个光电二极管是由GaAs
材料构成的，在300k时其带隙能量为1.43ev ，问它是否能用于1310nm的系统中？
问题: 是否波长越短越好呢?
在短波长段，材料的吸收系数变得很大，
第八章 光电转换器件
第一节光电转换基本原理
➢光电二极管的物理工作原理
偏置电压
光电二极管
p
i
w
负载电阻
RL
输
出
Ip
n
I
图2.1 外加反向偏置电压的pin光 电二极管的电路示意图
扩散
漂移 光生电子
p 带隙Eg
扩散
光子 h>Eg
i
光生空穴
耗尽区
w
漂移
扩散
导带
n
价带
扩散
光 光脉冲 功 率
检
电脉冲
测
电
●加入一个谐振腔，去除耦合， 提高量子效率和增大带宽。
（2）超晶格结构
倍增区大约为250nm厚，比如由13层9nm厚的 InAlGaAs量子阱和12层12nm厚的InGaAs垫垒交 错而成，此结构提高了InGaAs APD的响应速度 和灵敏度，可用在10Gb/s的长距离通信系统中。
➢光接收机数字信号传输 图5.5 通过光数据链路的信号路径
ηw
t
v
●对Si和Ge等间接带隙半导体材料，为确保 η 值，
w的典型值在20~50μm范围， τtr >200ps,响应速度较
慢。
对InGaAs等接带隙半导体材料，w可减小至3~5μm，
若取漂移速度vs =107cm/s, τtr =30~50ps。若定义带宽为 Δf=(2π τtr )-1, Δf=3~5GHz。
雪崩效应：新产生的载流子同样由电场加速 ，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电 离产生，此现象称雪崩效应。当偏置电压高 于击穿电压时，产生的载流子迅速增加。
●拉通型APD（RAPD）：把一种高阻的p型材料作为
外延层而沉积在p型重掺杂材料上，然后在高阻区进
行p型扩散或电离掺杂，最后一层是一个n+（n型重 掺杂）层。π层主要是少量p掺杂的本征材料，此结 构称为p+πpn+型结构，如下图示。 电场
●光电二极管的脉冲响应
当检测器受到阶跃光脉冲时，响应时间可使用检
测间来器表输示出，脉对冲全的耗上尽升型时光间电（二τ极r）管和τr下=τ降f ；（τf）时
当偏置电压较低时，τr≠τf ，光电二极管不是全
耗尽型的，光子的收集时间就成为影响上升时间
的重要因素了。在n区和p区产生的载流子要经过
一个缓慢的扩散时间才能达到耗尽区并经历分离 和吸收。
响 应 度
波长( μm )
图6.3 n种不同材料的pin光电二极管的响应度和量子效率与 波长的关系曲线
例 ： 如 图 6.3 示 ， 波 长 范 围 为 1300nm <λ <1600nm ， InGaAs 的 量 子 效 率 大 约 为 90% ，
因此在这个波长范围内响应度为
q q (0.9)01(.610 19 c)
低通滤波器，其带宽为
B 1
2RT CT
➢ InGaAs APD结构 （1）为改善InGaAs APD结构，采用了多种多样复 杂的器件结构，其中一种广泛应用的结构就是吸收 和倍增分离（SAM，separate－absorption－and－ multiplication）的APD，如图6.8示，这种结构在吸 收区和倍增区使用了不同的材料，每个区为了一个 特殊的功能进行了最佳化的 m 设计。光从InP衬底进 入APD，由于这种材料的带隙能量较大，使长波长 的光透射过去而进入InGaAs吸收区，并产生电子一 空穴对。倍增区InP层中有很高的电场但没有隧道 击穿。
λc=1.65μm ，因而在中间InGaAs层，在
1.3~1.6 μm内有很强的吸收。
由于光子仅在耗尽区内 吸收，完全消除了 扩散分量，采用几微米厚的InGaAs，量子 效 率 可 接 近 100% ， 这 种 InGaAs 光 电 二 极 管广泛用于1.3和1.5 μm的光接收机中。
●光电二极管的性能经常使用响应度来表征。它和 量子效率的关系为：