第六章 光电检测器与光接收机
6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 6.3 光 接 收 机 6.4 光接收机的噪声 6.5 光接收机的灵敏度
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第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
面的结构示意图，
图(b)是将纵向剖面 顺时针转90的示意
6.1 光电检测器
光电检测器是利用半导体材料光电效应实现光电转换，
将接收到的光信号转换成电流信号，基本机理是光的吸收。
当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导体材料上，若 光子被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，若此时在
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，如下图所示。但当入射光子能量h 小于禁
2I02n0G/8/a18As PIN则用于1310nm和1550nm波段。
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6.1.2 APD雪崩光电二极管
雪崩光电二极管APD(Avalanche Photo Diode) 不但 具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大 作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成。APD就是利用 雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。
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PIN 光电二极管
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2. PIN光电二极管的工作原理
当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整
个耗尽区(高场区)及耗尽区附近产生受激吸收现象，从
而产生电子空穴对并形成光生电流。
上图中，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(这部分形成光生电流中的扩散分
量)。P+区电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过耗
(b) 半导体材料的光电效应
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对光检测器的基本要求：
✓ 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定
的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；
✓ 波长响应要和光纤的 3 个低损耗窗口兼容;
✓ 具有足够快的响应速度和足够宽的工作带宽，能适用
于高速或宽带系统；
✓ 具有尽可能低的附加噪声，以降低器件本身对信号的
尽区宽度的关系如下：
Cd = A/w
式中： 为半导体介电常数；A为耗尽区的截面积。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.
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考虑到漂移时间和结电容效应，PIN的带宽可表示为：
BPD 2(w/vd) 1RL(A/w)
1. 雪崩光电二极管的结构
目前常用的APD结构包括 保护环型GAPD和拉通型RAPD ，保护环型在制作时淀积一层 环形N 型材料，以防止在高反 压时使P-N结边缘产生雪崩击穿 ，结构和电场分布如右图所示。
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光子
GAPD 结构及电场分布 10
RAPD结构及
电场分布如右图所
示，图(a)为纵向剖
影响和能够接收极微弱光信号;
✓ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中不失真;
✓ 工作性能稳定，可靠性高、工作寿命较长;
✓ 功耗和体积较小等。
目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二
极管和APD雪崩光电二极管。
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6.1.1 PIN光电二极管
1. PIN光电二极管结构
PIN 光 检 测 器 也 称 为 PIN 光 电 二 极 管 PINPD ( PIN Photodiode)，PIN的意义是表明半导体材料的结构，它 是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间插入了一层轻 掺杂的N型半导体材料(如Si)，称为I(Intrinsic)层。由于 受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有 电场存在，因此就决定了PNPD或PIN光电检测器的光电 变换效率较低及 响应速度较慢。 其结构如右图所 示：
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左侧入射的信号光 透过重掺杂的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。
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(a)
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。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。
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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 ，
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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：
ttr = w /vd
式中： vd是载流子的漂移速度； ttr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，导致量子效率降低。
PN结耗尽区实际上可等效成电容，它的大小与耗
带宽度Eg时，不论入射光有多强光电效应也不会发生，即产 生光电效应必须满足以下条件：
h ≥Eg
即光频 ＜c= Eg/h 的入 。即只有波长＜c 的入射光才能使这
种材料产生光生载流子，故c为产生光电效应的入射光的最
2大020波/8/1长8 ，又称为截止波长，相应的c 称为截止频率。
式中：RL是负载电阻。 由上述分析可知，增加耗尽区宽度是必要的。由前图可
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
基本由I区的宽度决定。但I区的宽度也不是越宽越好，由上
式知，宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对