光穿透深度 (mm)
c
hc 1 .24 E E eV ) g g(
光吸收系数 (cm-1)
光子能量增大方向
若波长比截止波长更长， 则光子能量不足以激励出 一个光子。 此图还说明，同一个 材料对短波长的吸收很强 烈 (s大) 。而且短波长激 发的载流子寿命较短，因 为粒子的能级越高，越不 稳定。
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
pin的响应度
光电二极管的性能常使用响应度 来表征：
Ip P in
q
(A/W ) hv
例
有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300 k时 其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为：

34 8 hc 6 . 625 10 J s 3 10 m / s 869 nm c 19 E 1 . 43 eV ( 1 . 6 10 J / eV ) g
光检测器介绍(PIN、APD详 细讲解)
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电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。对光检测器的基本要求是：
- 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； - 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； - 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。 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。
由于常态下少数载流子含量很少，因此漂移行为非常微弱
pin光电二极管的结构
pin 光电二极管是在掺杂浓度很高的p型、n型半导体之间加 一层轻掺杂的n型材料，称为i (本征)层。由于是轻掺杂，电 子浓度很低，加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层。
耗尽区
pin光电二极管的工作原理
1. 能量大于或等于带隙 能量Eg的光子将激励价 带上的电子吸收光子的 能量而跃迁到导带上， 可以产生自由电子空穴 对 (光生载流子)。 2. 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， 然后它们在边界 处被吸收，从而 在外电路中形成 光电流。
( ) x s P ( x ) P ( 1 e ) 0
P(x)
其中s()为材料在波长处的吸收 系数，P0是入射光功率，P(x)是通 过距离x后所吸收的光功率。
s() 增加
x
不同材料吸收系数与波长的关系
特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
材料的截止波长c由 其带隙能量Eg决定：
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的 量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
19 34 8 hv hc 6 . 625 10 J s 3 10 m/s
q q 0 . 90 1 . 6 10 C 7 . 25 10



因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的在距离w内吸收光功率为：
w s P w P ( 1 e ) in
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
q w s I P ( 1 R )( 1 e ) p in f hv
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。电子空穴对 在外部电场作用下定向移动产生电流。 只有少数载流子在电场作用下漂移 多数载流子的 扩散行为被反 向电场抑制
其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射 光子数之比：

Ip /q Pin / hv
例
有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内 共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：
6 5 .4 10 90 % 6 6 10



5
当波长为1300 nm时：
5 6 7 . 25 10 A/W /m 1 . 30 10 m 0 . 942 A/W



当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例 如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
+ -
电子和空穴的扩散长度
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，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp， 这个距离即扩散长度，分别由下式决定：
L D n n n
1 /2
L D p p p
1 / 2
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，n和p为电子和空穴 重新复合所需的时间，称为载流子寿命。 在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：
I/ q w s 1 R 1 e f P / hv in


给定波长，与Pin无关
0.65
0.45
q q P hv hc in
Ip
给定波长，R为常数 由光子能量不足造成
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短
例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光 电流为：
I P ( 0 . 65 A/W ) ( 10 μW ) 6 . 5 μA p in
响应度、量子效率 vs. 波长
0.9 1.0
p