光檢測器介紹詳細講解

光檢測器介紹詳細講解第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日光電二極管的物理原理光檢測器噪聲檢測器響應(yīng)時間雪崩倍增噪聲InGaAsAPD結(jié)構(gòu)溫度對雪崩增益的影響主要內(nèi)容第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日光電檢測器的要求光電檢測器能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是：-在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；-具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；-具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；-具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；-具有較小的體積、較長的工作壽命等。目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種：pin光電二極管和APD雪崩光電二極管。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日光電二極管實際上類似于一個加了反向偏壓的pn結(jié)。它在發(fā)向偏壓的作用下形成一個較厚的耗盡區(qū)。當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時，會在整個耗盡區(qū)(高場區(qū))及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激躍遷現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對在外部電場作用下定向移動產(chǎn)生電流。6.1光電二極管的物理原理只有少數(shù)載流子在電場作用下漂移多數(shù)載流子的擴散行為被反向電場抑制由于常態(tài)下少數(shù)載流子含量很少，因此漂移行為非常微弱第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日pin光電二極管的結(jié)構(gòu)pin光電二極管是在摻雜濃度很高的p型、n型半導(dǎo)體之間加一層輕摻雜的n型材料，稱為i(本征)層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，加反向偏置電壓后形成一個很寬的耗盡層。耗盡區(qū)第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日pin光電二極管的工作原理+-1.能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子空穴對(光生載流子)。2.耗盡區(qū)的高電場使得電子空穴對立即分開并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動，然后它們在邊界處被吸收，從而在外電路中形成光電流。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日當(dāng)電載流子在材料中流動時，一些電子-空穴對會重新復(fù)合而消失，此時電子和空穴的平均流動距離分別為Ln和Lp，這個距離即擴散長度，分別由下式?jīng)Q定：Dn和Dp分別為電子和空穴的擴散系數(shù)，tn和tp為電子和空穴重新復(fù)合所需的時間，稱為載流子壽命。在半導(dǎo)體材料中光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律：其中as(l)為材料在波長l處的吸收系數(shù)，P0是入射光功率，P(x)是通過距離x后所吸收的光功率。電子和空穴的擴散長度as(l)增加P(x)x第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日不同材料吸收系數(shù)與波長的關(guān)系材料的截止波長lc由其帶隙能量Eg決定：若波長比截止波長更長，則光子能量不足以激勵出一個光子。

此圖還說明，同一個材料對短波長的吸收很強烈(as大)。而且短波長激發(fā)的載流子壽命較短，因為粒子的能級越高，越不穩(wěn)定。光吸收系數(shù)(cm-1)光穿透深度(mm)光子能量增大方向特定的材料只能用于某個截止波長范圍內(nèi)第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日有一個光電二極管是由GaAs材料組成的，在300k時其帶隙能量為1.43eV，其截止波長為：因此，檢測器不能用于波長范圍大于869nm的系統(tǒng)中。例第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日如果耗盡區(qū)寬度為w，在距離w內(nèi)吸收光功率為：如果二極管的入射表面反射系數(shù)為Rf，初級光電流為：其中q是電子電荷。量子效率定義為產(chǎn)生的電子-空隙對與入射光子數(shù)之比：pin的量子效率第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日有一個InGaAs材料的光電二極管，在100ns的脈沖時段內(nèi)共入射了波長為1300nm的光子6×106個，平均產(chǎn)生了5.4×106

個電子空隙對，則其量子效率可以等于：在實際的應(yīng)用中，檢測器的量子效率一般在30%-95%之間。一般增加量子效率的辦法是增加耗盡區(qū)的厚度，使大部分的入射光子可以被吸收。但是，耗盡區(qū)越寬，pin的響應(yīng)速度就越慢。因此二者構(gòu)成一對折衷。例第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日光電二極管的性能常使用響應(yīng)度來表征：例：能量為1.53x10-19J的光子入射到光電二極管上，此二極管的響應(yīng)度為0.65A/W，如果入射光功率為10mW，則產(chǎn)生的光電流為：pin的響應(yīng)度第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日響應(yīng)度、量子效率vs.波長0.650.450.91.0給定波長，h與Pin無關(guān)給定波長，R為常數(shù)造成原因：1)材料對短波長吸收強烈； 2)高能量載流子壽命短由光子能量不足造成第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日如上圖所示，波長范圍為1300nm-1600nm，InGaAs的量子效率大約為90%，因此這個波長的響應(yīng)度為：當(dāng)波長為1300nm時：當(dāng)波長大于1600nm時，光子能量不足以激發(fā)出一個電子，例如In0.53Ga0.47As的帶隙能量為Eg

=0.73eV，故截止波長為：當(dāng)波長<1100nm時，光子在接近光電二極管的表面被吸收，所產(chǎn)生的電子空隙對的復(fù)合壽命很短，很多載流子并沒有產(chǎn)生光電流。所以在短波長段，響應(yīng)度的值迅速降低。例第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日雪崩二極管(APD)設(shè)計動機：在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱噪聲時已經(jīng)在高電場的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于顯著提高接收機靈敏度耗盡區(qū)高阻材料第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日工作過程第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日拉通型雪崩二極管(RAPD)“拉通”來源于其工作情況，當(dāng)施加一個較低的反向電壓時，大部分電壓降在pn+結(jié)上。當(dāng)電壓增加時，耗盡區(qū)寬度增加，直到pn+結(jié)上的電壓低于雪崩擊穿電壓5%~10%時才停止，此時耗盡區(qū)正好拉通到整個本征p區(qū)。高阻材料帶有少量p摻雜的本征材料p+ppn+結(jié)構(gòu)第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日光電二極管中所有載流子產(chǎn)生的倍增因子M定義為：其中，IM

是雪崩增益后輸出電流的平均值，而Ip是未倍增時的初級光電流，V是反向偏壓，VB為二極管擊穿電壓，n一般為2.5~7。實際上，雪崩過程是統(tǒng)計過程，并不是每一個光子都經(jīng)歷了同樣的放大，所以M只是一個統(tǒng)計平均值。

類似于pin，APD的性能也由響應(yīng)度來表征：倍增因子和響應(yīng)度第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日一種硅APD在波長900nm時的量子效率為65%，假定0.5mW的光功率產(chǎn)生的倍增電流為10mA，試求倍增因子M。初級光電流為：倍增因子M為：例第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日6.2光檢測器噪聲輸出端光信噪比：S/N=光電流信號/(光檢測器噪聲功率+放大器噪聲功率)為了得到較高的信噪比：1.光檢測器具有較高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號功率2.使光檢測器和放大器噪聲盡可能的低第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日噪聲來源第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日信號功率為P(t)的調(diào)制光信號落在檢測器上，則產(chǎn)生的初級光電流為：對于pin，均方信號電流為：對于APD，均方信號電流為：信號部分：光生電流信號第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日光信號照射到檢測器時，光電子產(chǎn)生和收集過程具有隨機性，從而帶來量子噪聲。對于接收帶寬為B的接收機，量子噪聲均方根電流由下式?jīng)Q定：其中F(M)Mx是噪聲系數(shù)，它與雪崩過程的隨機特性有關(guān)。

另外暗電流是指，沒有光入射時流過檢測器偏置電路的電流，它是體暗電流iDB和表面暗電流iDS之和。iDB來自于檢測器的pn結(jié)內(nèi)因為熱運動而產(chǎn)生的電子空穴。對于APD，iDB為：表面暗電流由表面結(jié)構(gòu)(缺陷、清潔程度、面積大小)和偏置電壓決定：噪聲部分：量子噪聲和暗電流噪聲會被雪崩區(qū)放大不會被雪崩區(qū)放大第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日因子F用于衡量由于倍增過程的隨機性導(dǎo)致的檢測器噪聲的增加。參數(shù)x稱為過剩噪聲指數(shù)，一般取決于材料，并在0~1之間變化，x對于SiAPD為0.3，對InGaAsAPD為0.7，對GeAPD為1.0。雪崩倍增噪聲

APD中的雪崩過程具有統(tǒng)計特性，不同的光生載流子的放大倍數(shù)可能不同，給放大后的信號帶來了幅度上的隨機噪聲。這里定義F為過剩噪聲因子，它近似等于：第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日光檢測器的總均方噪聲電流為：放大器輸入阻抗一般遠大于負載電阻RL，因此檢測器的負載熱噪聲由RL的熱噪聲決定：總噪聲其中KB為波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日

InGaAs光電二極管在波長為1300nm時有如下參數(shù)：初級體暗電流ID=4nA，負載電阻RL=1000W，量子效率h=0.90，表面暗電流可以忽略，入射光功率為300nW(-35dBm)，接收機帶寬為20MHz，計算接收機的各種噪聲。首先計算初級光電流：量子噪聲均方根電流：例第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日光檢測器暗電流：負載均方熱噪聲電流為：例(續(xù))第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日小結(jié)：對于pin光電二極管，主要噪聲電流來自檢測器負載電阻和放大電路的有源器件；而對于雪崩二極管，熱噪聲并不占重要地位，主要噪聲來源于光檢測器的量子噪聲和體暗電流。信噪比第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日6.3檢測器響應(yīng)時間光電二極管的響應(yīng)時間是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。影響響應(yīng)時間的主要因素：1耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間；2耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴散時間；3光電二極管以及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。影響這三個因素的參數(shù)有：耗盡區(qū)寬度w、吸收系數(shù)as、等效電容、等效電阻等。第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日一般在耗盡區(qū)高電場的情況下，光生載流子可以達到散射的極限速度。例如：耗盡層為10mm的Si光電二極管 電場強度：20000V/cm 電子最大速度：8.4x106cm/s

空穴最大速度：4.4x106cm/s

極限響應(yīng)時間：~0.1ns光載流子渡越時間耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日光載流子擴散時間耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子p區(qū)或n區(qū)產(chǎn)生的載流子向耗盡區(qū)擴散在耗盡區(qū)內(nèi)漂移到電極存在問題：較長的擴散時間會影響光電二極管的響應(yīng)時間解決辦法：盡量擴大耗盡層寬度擴散速度<<漂移速度第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日當(dāng)檢測器受到階躍光脈沖照射時，響應(yīng)時間可使用輸出脈沖的上升時間tr和下降tf時間來表示。在理想情況下tr=tf，但是由于非全耗盡性中載流子擴散速度遠小于漂移速度，使得tr≠tf，造成脈沖不對稱。上升時間和下降時間第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日光電二極管脈沖響應(yīng)1.為了獲得較高的量子效率，耗盡區(qū)寬度w必須大于1/as(吸收系數(shù)的倒數(shù))，以便可以吸收大部分的光；2.同時如果w較大，會讓二極管結(jié)電容C變小，于是RLC常數(shù)變小，從而得到較快的響應(yīng)；3.但是過大的w會導(dǎo)致渡越時間的增大

折衷取值范圍：1/as<w<2/as第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日帶寬設(shè)RT是負載電阻和放大器輸出電阻的組合，CT是光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，則檢測