PIN (Positive Intrinsic Negative) PIN光电二极管(PINPD)的结构如图
图5.1 PIN光电二极管的结构
5.1.2 雪崩光电二极管
雪崩光电二极管应用光生载流子在其 耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得 光生电流的雪崩倍增。
1. 雪崩光电二极管的结构
常用的APD结构包括拉通型APD和保 护环型APD，如图5.2所示。由于要实现电 流放大作用需要很高的电场，因此只能在 图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。
3. 目前国产PIN光电二极管的水平（续） （3）InGaAs-PIN （用于1.3mm或1.5mm光纤通信系统） 响应光谱范围： 1.3mm或1.5mm 响应度R： 0.5-0.7(mA/mW) 量子效率h： 60% 响应时间： tr<1 nS （tr脉冲前沿） 工作电压： -5V 暗电流： Id ~ 3 nA
3. 目前国产PIN光电二极管的水平（续） （2）Ge-PIN （用于1.3mm光纤通信系统） 响应光谱范围： 1.3mm 响应度R： 0.5-0.7(mA/mW) 量子效率h： 70% 响应时间： tr<1 nS （tr脉冲前沿） 工作电压： -5V~ -10V 暗电流： Id ~ 0.2 mA
§5-1-1 PIN光电二极管
图5.2
APD的结构
APD结构示意图
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
对比： PIN光电二极管是一种无信号增益的器件，一 个光子最多只能产生一对电子-空穴对； APD光电二极管可以像光电倍增管那样在 APD内部得到放大，一个光子可以产生多对电子空穴对，从而使APD可以具有高的响应度。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
PIN光电二极管工作原理
由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征 半导体，故称I层，因此这种结构称为PIN 光电二极管。I层较厚，几乎占尽了整个耗 尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并 产生大量的电子——空穴对。在I层两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和 N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而 光产生电流中漂移分量占了主导地位，这 就大大加快了响应速度。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
（2）倍增因子M M是雪崩倍增时测得的信号电流与其无倍增时 的信号电流之比。 根据M的物理意义则有如下关系：
其中，IAP、 IAd分别为最佳偏压下雪崩时光电流和暗 电流; IP、Id分别为反向电压10伏时测得的光照时电流 和暗电流 (无倍增时) 。
I AP I Ad M IP Id
§5-1-1 PIN光电二极管
2. PIN光电二极管结构与工作原理 PIN是在普通的光电二极管(PD--Photo Diode) 的P区和N区之间增加本征区(I区)，由于I 区具有 较高的电阻，因此外加反向偏压基本上降落在I 区。 当光子入射到达I区时，由于光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ被吸收而产 生电子--空穴对（光生载流子），在高电场作用下， 电子--空穴分别高速向相反方向运动（电子向N区， 空穴向P区），从而在外加负载上形成光电流。
功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光
信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的 电信号
组成部分：耦合器，光电检测器，解调器 组成框图： 电子电路
光输入 耦合器 光电检测器 解调器 电信号输出
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值(续) （3）InGaAs-APD(铟镓砷雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.8-1.7mm 量子效率h： 50-70% 倍增因子M： 20-40 暗电流： Id=10nA (电压在-10VB) 响应时间： tr<0.3 nS （tr脉冲前沿）
§5-1-1 PIN光电二极管
3. 目前国产PIN光电二极管的水平 （1）Si-PIN 响应光谱范围：0.8-0.9mm 响应度R： 0.6-0.8(mA/mW) 量子效率h： 80% 响应时间： tr<1 ns （tr脉冲前沿） 工作电压： -15V 暗电流： Id<1 nA
§5-1-1 PIN光电二极管
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
（4）响应度（灵敏度） 检测器的光电流与入射光功率之比称为响应 度，以R表示。 R=(Ip-Id)/Pin 注意： Ip是倍增前的光电流。 （5）暗电流 （6）量子效率 I /q
h
Pin / h
P
(%)
注意： Ip是倍增前的光电流。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值 目前用于光纤通信的APD光电二极管性能指标 （1）Si-APD(硅雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.6-1.1mm 量子效率h： 70-80% （因结构而异） 倍增因子M： 40-80 暗电流： Id~0.1 nA (在-0.9VB) 响应时间： tr<0.5 nS （tr脉冲前沿） 雪崩电压VB ： -80 ~ -130V（ Id~10mA ）
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值(续) （2）Ge-APD(锗雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.8-1.65mm 量子效率h： 60-80% 倍增因子M： 10-30 暗电流： Id=0.3 ~2mA (电压在-0.9VB) 响应时间： tr<0.5 nS （tr脉冲前沿） 雪崩电压VB ： -30 ~ -40V（ Id~10mA ）
5.2.2 光电检测器的典型指标
及简易检测
1. 光电检测器的典型指标
表5.1中列出了富士通公司生产的两种
光电检测器的典型指标。
2. 光电器件的简易检测
与光源器件一样，在没有测试条件的 情况下，使用人员也可以借助于指针式万 用表对光电检测器件进行简易的测试。这 种测试方法主要是检查光电检测器件PN结 的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特 性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。 常用光电检测器件的参考数据如表5.2所示。
PIN光电二极管工作原理
通过插入I层，增大耗尽区宽度达 到了减小扩散分量的目的，但是过大 的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗 尽区内的漂移时间，反而导致响应变 慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通 过控制耗尽区的宽度可以改变PIN光 电二极管的响应速度。
§5-1-1 PIN光电二极管
1. PN结的特性 在PN结上加反向偏压（P接－，N接＋）， 并在入射光的照射下，可以产生与入射光强度成 正比的光生电流。 因此，反向偏压下的PN结就是一种最基本 的PN光电二极管。 通过对这种光电二极管的改进，可以获得性 能更为优异的能在实际光通信系统中使用的 PIN 光电二极管和APD雪崩光电二极管。
注意事项 根据器件的性能和实际经验，检测器使用中 应注意以下几点： （1）光电检测器是反向加压的，与光源的使 用正好相反。 （2）工作电压应选择最佳偏压以便得到最大 的信噪比。 （3）更换检测器时，应选择性能参数一致或 接近的器件，以减少调试的工作量 （4）防止高温偏置、热循环以及管子漏气受 湿度的影响。 （5）防止静电击穿
4. 暗电流
暗电流主要由体内暗电流和表面暗电 流组成。
5. APD的倍增因子
APD的电流增益，即平均倍增因子M 可表示为：
式中：Ip 为APD倍增后的光生电流；Ip0 是 未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和 倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣除当 时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。
6. 光电检测器的噪声
式中：e是电子电荷，其值约为
1.6×10-19C，ν为光频。η与ρ关系可以表示
为：
式中：h是普朗克常数，c是光在真空 中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代 入相应数值后，可以得到：
从式(6-4)中可以看出：在工作波长一 定时，η与ρ具有定量的关系。
3. 响应速度
光电二极管的响应速度是指它的光电 转换速度。
2.APD的倍增因子是否越大越好，为什么？
答：不是。因为APD在放大光信号的同时，也在 放大噪声信号，而噪声信号将严重影响信号 传输质量。在实际应用中，应根据需要选择 最佳倍增因子，一般低于APD的最大放大倍 数，处于倍增因子的最小值与最大值中间。
5.3 光 接 收 机
光接收机是光纤通信系统的最重要也 是最复杂的组成部分。 接收机对接收到的光信号进行处理以 便复原发送的信息比特。其判决的可靠性 与接收到的功率有关，其机理比较复杂， 涉及到存在于实际光接收机中的各类噪声。
光电检测器的噪声包括量子噪声、暗 电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。 (1) PINPD的噪声 PINPD的总均方噪声电流可以表述如 下： 〈i2〉=2e(Ip+Id)B 式中：e为电子电荷量；Ip 为光生电流；Id 为PINPD的暗电流，B为噪声带宽。
(2) APD的噪声
APD的量子噪声和暗电流噪声(要考 虑倍增作用)与PINPD机理类似，计算方法 也基本相同。 (3) 最佳倍增因子 虽然APD的倍增作用对信号有放大作 用，但是由于倍增噪声的存在也使得总噪 声增加。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
雪崩倍增因子M与反向偏压有如下关系：
M 1 / 1 (V / VB )
由图可知，APD 工作电压应略小于VB， 以便不损伤器件，同时 使器件处于最佳的工作 状态。

n

n3~ 6
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
*（3）增益-带宽乘积 APD的带宽定义：转换效率与直流光信 号相比下降3dB时的频率为响应带宽B。 雪崩光电二极管的带宽与增益因子M之 积为一常数。 对于Si-APD，该常数为MB=450GHz。
5.2 光电检测器的特性指标
5.2.1 光电检测器的工作特性
1. 响应度
在一定波长的光照射下，光电检测器 的平均输出电流与入射的平均光功率之比 称为响应度(或响应率)。响应度可以表示 如下：
式中：Ip为光生电流的平均值(单位：
A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。