第4章 光源和光电检测器

第四章 光源和光电检测器
o 4.1 半导体的能带理论 o 4.2 PN结的能带结构 o 4.3 同质结和异质结 o 4.4 发光二极管的工作原理 o 4.5 半导体激光器的工作原理 o 4.6 LD的工作特性 o 4.7 光电检测器的工作原理和主要要求 o 4.8 PIN和APD的工作原理 o 4.9光电检测器的工作特性
o 由于这种波纹状周期结构对光的反射作 用，使得在一个方向上传播的光波不断 地被反馈回相对的方向，使得前向和反 向波之间产生耦合，这种结构可以理解 为形成了一个对光波波长“敏感”的光 学谐振腔。
o 由布喇格条件:2nΛ=mλ，分布反馈激光 器具有极强的波长选择性，从而实现动 态单纵模工作。
5 量子阱激光器的基本原理
有两种半导体光电二极管：PIN光电二极管和 雪崩光电二极管(APD)。
4.8 PIN和APD的工作原理
1、PIN光电二极管的原理
o 利用光电效应可以制造出简单的PN结构光电二 极管，但是这样的光电二极管的响应速度低， 光电转换效率低。
o 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率， 在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型 材料，I层，由于掺杂浓度较轻，电子浓度很 低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。
o 过剩噪声指数x越大，则F(G)越大，所以 应选择APD的x小的管子。
o 双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs) 材 料 被 夹 在 宽 带 隙 的 材 料 (GaAlAs) 之间构成。
o 由于双异质结激光器在有源区两侧， 既限制了载流子，又限制了光波。
o 所以它的光强分布基本被约束在有 源区，而且阈值电流大大降低。
4.4 发光二极管的工作原理
o 发光二极管(LED)是低速、短距离光通信 系统中常用光源。目前广泛采用PN异质 结制造。LED的原理是在LED注入正向电 流时，注入的非平衡载流子在扩散过程 中发光。
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o APD是利用半导体材料的雪崩信增效应制成的。
o 雪崩光电二极管的雪崩倍增效应，是在二极管 的P-N结上加高反向电压(一般为几十伏或几百 伏)形成的，此时在结区形成一个强电场，在 高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的 动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子 得到能量，越过禁带到导带，产生了新的电子 －空穴对，新产生的电子－空穴对在强电场中 又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子－空 穴对……如此循环下去，像雪崩一样的发展， 从而使光电流在管子内部即获得了倍增。
o 在量子阱结构中，只要简单地改变阱宽Lz，就 可改变发射光子的能量。阱宽愈小，激光发射 向高能量方向移动。同时，可以导致量子阱激 光器的高速度和窄带宽。
o 有多个有源层，即多个量子阱的激光器称为多 量子阱激光器(MQW-LD)，它可以获得更低的阈 值电流，输出功率很大，可达几百毫瓦以上， 线宽很宽，可达25kHz。
o 价带和导带，价带和满带之间的宽度， 不能被电子占据因此称为禁带。
o 原子的电离以及电子与空穴的复合发光 等过程，主要发生在价带和导带之间。
2、费米－狄拉克统计
o 电子是费米子(自旋量子数为1/2)，符合 泡里不相容原理。电子在各能级中的分 布，服从费米－狄拉克统计。
o 费米能级不是一个可以被电子占据的实 在的能级，它是反映电子在各能级中分 布情况的参量，具有能级的量纲。
4.3 同质结和异质结
o 早期研制的半导体激光器和发生二极管 一般采用同质结构。同质结就是在PN结 的两边使用相同的半导体材料。
o 采用同质结结构的激光器存在如下问题： o 首先是对光波的限制不完善； o 其次是对载流子的限制不完善
o 为了降低同质结半导体激光器的阈 值电流，就要从上述两个方面改进。
o PIN光电二级管：
o Si-PIN工作波长小于1.09μm，用于光通 信可以在0.85μm附近工作。
o 在长波长波段，有Ge-PIN光电二级管， 但其暗电流大(20℃时100nA，40℃时增 大到1μA)，限制了它的应用。
o 但用Ⅲ－Ⅴ族半导体合金制造的长波长 光电二极管有较满意的性能，例如晶格 匹配的In0.53Ga 0.47As/InP系的检测波 长达1.67μm。
o Ge-APD工作在长波长区，它的倍增增益 一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也 很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。
4.9 光电检测器的工作特性
1、响应度和量子效率
o 响应度和量子效率都是描述这种器件光 电转换能力的物理量
2、响应时间
o 表征光检测器对光信号变化响应速度快慢的是 它的响应时间，通过用光检测器受阶跃光脉冲 照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的 时间间隔(即上升时间)来衡量。
o 夹于宽带隙半导体(如Ga1-xAlxAs)中间 的窄带隙半导体(如GaAs)起着载流子(电 子和空穴)陷阱的作用。
o 材料的电性质和光学性质产生剧烈的变 化，垂直于有源层方向上运动的载流子 动能可量子化成分立的能级，这类似于 一维势阱的量子力学问题，因而这类激 光器叫做量子阱激光器。
o 量子阱中的能级结构如图4-5-4示所出
o 目前光纤通信系统中使用的雪崩光电二 级管结构形式有保护环型和拉通型。
o 雪崩光电二极管的结构见图4-8-3
o 雪崩光电二极管随使用的材料不同有： Si-APD( 工 作 在 短 波 长 区 ) ； Ge-APD ， InGaAs-APD等(工作在长波长区)。
o Si-APD性能较好，它工作在0.85μm附近， 倍增增益高达100～1000，暗电流很小。
PN结具有单向导电性
o 当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向 消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区， N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P 区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向 电流是大电流。
o 当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场 相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动， 使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴 都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。
4.6 LD的工作特性
o LD的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量
1、P-I曲线
2、光谱特性
GaAs LD的光谱特性曲线如图4-6-2所示。
3、
o （1）阈值电流 It随温度的升高而加大， 为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作， 一般都要采用自动温度控制电路，来稳 定激光器的阈值电流和输出光功率。
o LED是非相干光源，它的发光过程是自发 辐射过程，发出的是荧光，它没有光学 谐振腔，是无阈值器件。
LED有如下工作特性：
(1) LED
它的谱线宽度较宽，对高速率调制 是不利的。
(2) LED
光输出功率P与注入电流I的关系， 一般称为P-I曲线， LED的P-I曲线线性 范围较大。在进行调制时，动态范围大， 信号失真小。
3、各种半导体中电子的统计分布
o 根据费米分布规律，可以画出各种半导 体中电子的统计分布。如图4-1-4所示
4.2 PN结的能带结构
1、PN结的形成 o 当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子
的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散， 剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面 的区域形成一个带负电的区域。同样，N区的 电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从 而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的 结果形成了一个空间电荷区，称为PN结。
o 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下， 在外电路中出求
(1) 在工作波长上光电转换效率高 ； (2) 检测过程中带来的附加噪声尽可能小； (3) 响应速度快、线性好及频带宽； (4) 高可靠性，长寿命，尺寸与光纤直径相配，
工作电压低等。 在光纤通信中，满足上述要求的光电检测器
4 动态单纵模激光器的原理
o 所谓动态单纵模激光器(SLM LD)，就是 指在高速调制下仍能单纵模工作的半导 体激光器。
o 目前，比较成熟的单纵模激光器有分布 反馈激光器及耦合腔激光器。
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o 分 布 反 馈 半 导 体 激 光 器 (DistributedFeedback Semiconductor Laser DFB Laser)，它是在异质结激光器具有光放 大作用的有源层附近，刻上波绞状的周 期的光栅来构成的。光子在每一条光栅 上的反射形成一个激光器所需要的光反 馈。
4 倍增特性
o APD的雪崩倍增因子用G表示 o PIN无倍增效应，所以G=1 。 o APD的倍增因子G随反向电压V的升高而增
大。APD可以达到的最大倍增因子用Gmax 表示。
5 过剩噪声系数F(G)
o 在APD中，每个光生载流子不会经历相同 的倍增过程，这将导致倍增增益产生波 动。这种波动是额外的倍增噪声的主要 根源。通常用过剩噪声系数F(G)来表示。
2 PN结的能带
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o 对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成 的PN结，当注入电流(或正向电压)加大到某一 值后，准费米能级EfC和EfV的能量间隔大于禁 带宽度， PN结里出现一个增益区(也叫有源 区)。
o 实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足
Eg＜hν＜e0V 的光子有光放大作用。半导体激 光器的辐射就发生在这个区域。
4.1 半导体的能带理论
o 1、晶体的能带 o 晶体的能谱在原子能级的基础上按共
有化运动的不同而分裂成若干组。每组 中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度 的带，称为能带。
o 锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形成共 价键的价电子所占据的能带称为价带。
o 价带下面的能带是被电子占满了，称为 满带。
o 价带上面的能带称为导带。
光电检测器的响应时间受三个因素影响：
(1) (2) (3)
o 3 暗电流Id
o 暗电流是指在PIN规定的反向电压或者APD的 90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部 的反向电流。
o 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应 无光电流输出。但是，实际上由于热激励、宇 宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下， 光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电 流。严格说暗电流还包括器件表面的漏电流。 据理论研究，暗电流将引起光接收机噪声增大。 因此，人们总是希望器件的暗电流越小越好。