在半导体材料中光功率的吸收呈 指数规律。 P(x)=Pinexp(-αsx）（6.1）
Pin光电二极管工作原理：
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，从而产生自 由的电子-空穴对，如右图所示。 由于它们是在偏置电压控制下由 光通过器件而产生的电载流子， 所以称为光生载流子。大部分载 流子是在耗尽区产生。

产生的电子- 空穴对的个数 q Pin 被吸收的入射光字数 hv Ip
（6.5）
光子能量一定时，大多数光 电二极管的量子效率和入射到光 电二极管的光功率无关。因此响 应度是光功率的线性函数，响应 度R是一个常数。不过在整个波长 范围内量子效率并不是一个常数， 因为光子能量在改变。因此，响 应度R随波长和所用的光电二极管 材料的不同（不同的材料有不同 的带隙能量Eg）而变化。
耗尽区的高电场使得电子-空穴对立即分开并在反向偏置 的结区中向两端流动，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着一个流动的电子，这种电流就 是光电流。
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，此时电子和空穴平均流动的距 离分别为Ln和Lp，这个距离就是所谓的扩散长度，电 子和空穴重新复合所需的时间成为载流子寿命。两 者关系为 Ln=（Dnτn）1/2 Lp=（Dpτp）1/2 其中Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数，其单位 为cm2/s
对于给定的材料，当入射光的波长越来越长时，光子能量变得 越来越小，当这个能量不能满足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，如右 图。
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Pin光电二极管：
最普通的光电二极管是pin光电二 极管，如右图所示，它的p型材料区和 n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征 区（i）隔开。正常工作时，加上足够 大的反向偏置电压，本征区的载流子就 会完全耗尽。 在光子流Φ穿过半导体时，会被半 导体吸收。假设当x=0时光照到光电探 测器上面，其功率为Pin，当光进入半导 体距离为x时，其光功率为P(x)光功率随 进入半导体的距离dx的变化量为dP(x), 那么dP(x)=-αs(λ)P(x)dx,其中αs(λ)为波 长λ时材料的吸收系数。
如果耗尽区宽度为w，由式（6.1），在距离w里吸收ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 率为
Pabsorbed s Pin exp( s x ) Pin (1 e s )
0

（6.3）
设光电二极管入射表面的反射系数为Rf，则可从式 (6.3)得到初级光电流Ip q Ip Pin 1 e s 1 R f （6.4） hv 光电二极管两个重要的特性参数是其量子效率和响应速 度，这些参数主要由器材材料的带隙能量、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η 表示每个能 量为hv的入射光子所产生的电子-空穴对，由下式给出
左图给出了几种不同的 光电二极管材料吸收系数与 波长的关系。可以看出αs随 波长λ显著变化，因此，特 定的半导体材料只能应用在 有限的波长范围内。上限截 止波长λc取决于所用材料的 带隙能量Eg
m
hc 1.24 Eg Eg (eV )
（6.2）
在短波长区，材料的吸收系数变得很大，因此光子在光 检测器的表面就被吸收，电子-空穴对的寿命极短，结果载流 子在被光检测器电路收集以前就被复合掉了。
pin光电二极管
光接收机：在光传输路线的输出端，必须有一个能转换光
信号的接收装置，即光接收机。 光检测器：光检测器作为光接收机的首要部件，能检测出 入射在上面的光功率，并将光功率的变化转变为相应变化的 电流。
光检测器 的要求
1.较高的响应度或灵敏度 2.较小的噪声 3.响应速度快或足够的带宽 4.温度变化不敏感 5.光纤尺寸匹配 6.价格合理 7.工作寿命长
光检测器的几种类型：光电倍增管、热电检
测器、半导体材料的光导电体、光电晶体管、光 电二极管
光电倍增器：由光电阴极和装在真空管内的倍增器组 成，有很高的增益和很低的噪声，但尺寸较大且需要 的偏置电压较高，所以不适合于光纤通信系统。 热电检测器：激励后检测器的冷却速度限制了响应速 度，主要用途是检测高速激光脉冲，并不十分适合光 纤通信系统。 光电二极管：尺寸较小，材料合适，灵敏度高，响应 速度快，所以在光纤通信系统得到广泛应用。 常用的光电二极管有两种类型：pin光电二极管和雪 崩光电二极管（APD）。