实际检测器的量子效率一般在30%-95%之间。
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器 ② 响应度ρ
光电二极管的性能常使用响应度ρ来表征：
I p e (A/W)
P0 hv
在1550 nm处典型响应度为0.7 A/W
第三章 通信用光器件
③ 光谱特性
3.2 光检测器
1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
当 hf Eg 时，受激吸收才会发生
Eg 禁带宽度 f 入射光子频率
h 普朗克常量
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
hf
Eg
hc
Eg
hc Eg
即某一PD来说，只有当入射光的波长小于某一数值时， 才会有光电效应，因此把这一能发生光电效应的临界 波长称为截止波长 c
c
hc Eg
Hale Waihona Puke 1.24 (m)Eg
70£¥
0.6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.2 10£¥
0
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
m
图3-31 PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系
Si和Ge作为光敏材料响应度都不高 Si 适用于0.8~0.9µm Ge和InGaAs适用于1.3~1.5µm
第三章 通信用光器件
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
耗尽区越宽，PIN-PD的响应速度会变慢。因此二者构 成一对折衷。
例：有一个InGaAs光电二极管，在100ns内共入射了波长为 1300 nm的光子6× 106 个，产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则 其量子效率可以等于：
5.4106 90%
6 106
第三章 通信用光器件
3.2.1 光电二极管的工作原理
3.2 光检测器
光电二极管实际上是一个加了反向偏压的PN结
N型 耗尽层 P型
浓度梯度的存在——扩散运动 内部电场——漂移运动 外加电场——加速漂移运动
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
当有合适波长的光照射到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（中性区）引起受激吸收 现象，从而产生电子空穴对。
3本.2 章光目检录测器
3.1 光源
半导体激光器(LD) 发光二极管(LED)
3.2 光检测器
光电二极管
3.3 光无源器件
连接器 耦合器 调制器等
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
3.2 光检测器
光检测器由半导体材料制成。是光接收机的重要组成部分。
主要功能是把光信号
电信号
第三章 通信用光器件
对光检测器的要求：
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
(1 r) exp(（）1)[1 exp(（）)]
量子效率只与PIN-PD的结构以及波长有关，而与P0无关 通过改变PIN-PD的结构参数就可以改善量子效率 • 减小P+上涂的抗反射膜的反射系数r，使得入射的光子
数增加从而使得产生的电子—空穴对数目增加，提高 量子效率 • 减小中性区的厚度ω1同时增加耗尽层的厚度ω
⑶ 响应时间和频率特性
3.2 光检测器
光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时 间τ或截止频率fc(带宽B)表示
① 当检测器接收的是数字脉冲信号调制的光信号时，响应 时间可使用输出脉冲的上升时间τr和下降τf时间来表示。
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
在理想情况下（耗尽层完全耗尽）tr = tf，但是由于耗尽层 在未耗尽的低偏压情况下，载流子扩散速度远小于漂移速 度，使得tr≠tf ，造成脉冲不对称。 耗尽层完全耗尽时，光电二极管具有单一的时间常数τ0，其 前沿和后沿的变化规律都是指数函数，分别是：
由于PN结耗尽层只有几微米， 大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应 速度慢。
第三章 通信用光器件
3.2.2 PIN光电二极管
1、结构
高掺杂P+型
高掺杂N+型
I (本征)层：低掺杂N型
3.2 光检测器
耗尽区
加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层 第三章 通信用光器件
2、工作原理
3.2 光检测器
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
不同材料的禁带宽度不同，因此不同材料制作的光电二 极管有不同的波长响应。
例：有一个GaAs光电二极管，在300 k时其带隙能量为 1.43 eV，其截止波长为：
c
hc Eg
6.6251034 J s 3108 m / s
1.43eV (1.61019 J / eV )
① 量子效率η
一次光生电子 空穴对 入射光子数
η表述入射光子能够转换称光电流的概率
第三章 通信用光器件
I
：一次光生电流的大小
p
P0：入射光功率
3.2 光检测器
此时量子效率
I p e I p hf
P0 hf P0 e
Ip
e hf
(1 r)P0 exp(（）1)[1 exp(（）)]
r : 入射表面的反射率 （）：吸收系数 1：中性区的厚度（P和N ） ：耗尽层的厚度
3.2 光检测器
能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换 足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真 具有较小的体积、较长的工作寿命等
常用的半导体光电检测器：PIN光电二极管 (PIN-PD) 雪崩光电二极管 (APD)
hv
n
p
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，电子 N区 ，空穴 P区，即形成与漂移电流方向相同的扩散电流，漂 移电流分量和扩散电流分量合称为光生电流
E
n
p
光生电流 I
第三章 通信用光器件
3.2 光检测器
这种由PN结构成，在入射光的作用下由于受激吸收过 程产生的电子—空穴对的运动，在闭合电路中形成光 生电流的器件，称为光电二极管（PD）
当入射光照射这样的一个PIN结构的半导体时，由于P+和 N+很薄，入射光很快的进入到I层，因而光生电流中漂 移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。
I层很厚，并且吸收系数很小，因此可以大大的提高光 电转换效率。
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3、PIN光电二极管的特性
3.2 光检测器
⑴ 截止波长 c 显然不是任意波长的入射光照射这种结构的PN结都可以发 生受激吸收，从而产生光生电流。
869nm
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
硅材料制作的PD c 1.06m 锗材料制作的PD c 1.6m
第三章 通信用光器件
⑵ 量子效率和光谱特性
3.2 光检测器
光电转换效率一般用量子效率η或响应度ρ来表示
量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。 响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，