当前位置：文档之家 › 光检测器介绍(PINAPD详细讲解)

光检测器介绍(PINAPD详细讲解)

  • 格式：ppt
  • 大小：678.50 KB
  • 文档页数：37

下载文档原格式

  / 37

合集下载

简述pin和apd的工作原理

简述pin和apd的工作原理

简述pin和apd的工作原理PIN和APD都是用于光电探测的器件，工作原理略有不同，下面将对PIN和APD的工作原理进行详细的阐述。

首先，我们先来介绍一下PIN（P型/Intrinsic/N型）结构器件的工作原理。

PIN结构是一种半导体器件，由P型半导体、Intrinsic层（无掺杂的半导体层）和N型半导体组成。

在PIN结构中，Intrinsic层的宽度较大，起到减少载流子复合的作用。

当光线射入PIN结构中时，光子能量会被传递给半导体晶格中的电子，使其激发为可导电的载流子。

当不存在外加电压的情况下，通过PIN结构的电流主要是由光生电流和擦除电流组成。

光生电流是指光射入PIN结构时，光子与半导体材料发生作用产生的电流。

而擦除电流是指由于载流子在PIN结构中的扩散而产生的电流。

当施加一个外加正向偏压时，即P端连接正极，N端连接负极，此时形成了一个光电二极管。

光电二极管在没有光照射的情况下，电流非常小，只有极小的擦除电流。

但当光照射到PIN结构中时，光子激发了Intrinsic层中的电子，使其跃迁为导带中的自由电子，同时生成空穴。

这些载流子因为外加电场的作用而被快速输送到电极上，从而产生电流。

因此，当光照射到PIN结构时，光电二极管的电流会增大。

这种通过光子激发载流子的效应就是光电效应。

光电二极管的输出电流与输入光强度之间存在着线性关系。

光电二极管的灵敏度与Intrinsic层的宽度有关，宽度越大，灵敏度越高。

在应用中，PIN结构器件主要用于光电转换和信号检测方面，如光通信、光采样等。

接下来，我们来介绍一下APD（Avalanche Photo Diode）的工作原理。

与PIN结构器件不同，APD采用了一种称为雪崩复制效应的方式来增强光电二极管的敏感度。

APD的基本结构与PIN结构类似，也是由P型半导体、Intrinsic 层和N型半导体组成。

APD的工作原理是在光电二极管中引入一个反向偏压，即P端连接负极，N端连接正极。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)

光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)

例 (续)
光检测器暗电流：
iD2B 2qID B 2(1.6 1019 C)(4 109 A)(20106 Hz) 2.561020 A2
负载均方热噪声电流为：
iT2
4kBT B 4(1.381023 J / K)(293K) 20106 Hz 3231018 A2
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M

IM Ip

1

1
V /
VB
n
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时 的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般 为 2.5~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光 子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的 增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1 之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
iN2


2 N

iQ2
iD2 B iD2 S

量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 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：

光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)

光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
c E h g c6 .1 6 .4 e 2 1 3 ( V 1 3 5 .0 6 J 4 1 s3 1 0 1 J 9 /8 e m 0 /)V s 8n 6m 9
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为:
P w P in (1e sw )
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:
LnDn n1/2
LpDp
1/2 p
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp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:
光检测器介绍
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。
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。

PIN与APD介绍

PIN与APD介绍

PIN:positive-intrinsic-negative(P型半导体-杂质-N型半导体)APD:avalanche photodiode(雪崩二极管)饱与光功率又称饱与光功率即指最大负载。

指在一定得传输速率下,维持一定得误码率(10-10～10-12)时得光模块接收端最大可以探测到得输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱与现象,当出现此现象后,探测器需要一定得时间恢复,此时接收灵敏度下降,接收到得信号有可能出现误判而造成误码现象,而且还非常容易损坏接收端探测器,在使用操作中应尽量避免超出其饱与光功率。

因此对于发射光功率大得光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度得时候,输出得光电流将趋于饱与。

随着温度得升高,APD得击穿电压V BR也随着上升,如果APD得工作电压(即高压)不变,APD得光电检测性能会变弱,灵敏度降低。

APD得倍增因子代表倍增后得光电流与首次光电流之比。

如图:由图可知,倍增因子M与反向偏置电压有关(反偏电压越大,斜率越大,M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时,M趋于无穷大。

),所以说她就是可调得。

同时可以瞧到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压(击穿电压)V B。

当反偏电压大于击穿电压时,M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生得倍增噪声会远远大于倍增效应带来得好处。

因此实际使用中,总就是把反偏电压调到略小于雪崩电压得地方。

APD倍增因子M得计算公式很多,一个常用得公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 就是由P-N 结材料决定得常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压得增加值。

对于Si 材料,n =1、 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2、 5～8 。

由式中还可瞧出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知,同样材料得APD管,同样偏置电压情况下,击穿电压越大,倍增因子越小。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

P I N:p o s i t i v e-in trinsic-negativ e（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的也随着上升，时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压VBR如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的压）VB倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍精编版

PIN和APD介绍精编版

PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍精编版

PIN和APD介绍精编版

PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

P I N:p o s i t i v e-i n t r i n s i c-n e g a t i v e（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)

光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
6
20
A
2
负载均方热噪声电流为：
i
2 T

4 k BT RL
B
4 (1 . 38 10
23
J / K )( 293 K )
1k W
20 10 Hz 323 10
6
18
A
2
信噪比
S N

ip M
2
2
2
2 q ( I p I D ) M F ( M ) B 2 qI L B 4 k B TB / R L
光检测器介绍
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。

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：

5 . 4 10 6 10
6 6
90 %
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和APD介绍

PIN和APD介绍

P I N:p o s i t i v e-i n t r i n s i c-n e g a t i v e（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanchephotodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中:n是由P-N结材料决定的;VB为理想反向;V为反向偏压的。

对于Si材料,n=～4;对于Ge材料n=～8。

由式中还可看出,当|V|→|VB|时,M→∞,P-N结将发生。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电也随着上升，如果APD的工作电压（即流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压VBR高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V。

当反偏电压大于B击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电也随着上升，如果APD的工作电压（即流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压VBR高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V。

当反偏电压大于B击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

P I N:p o s i t i v e-i n t r i n s i c-n e g a t i v e（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

P I N:p o s i t i v e-i n t r i n s i c-n e g a t i v e（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanchephotodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为M=1/1-(v/vB)n式中:n是由P-N结材料决定的;VB为理想反向;V为反向偏压的。

对于Si材料,n=～4;对于Ge材料n=～8。

由式中还可看出,当|V|→|VB|时,M→∞,P-N结将发生。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

PIN:positive-intrinsic-negative（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压V BR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）V B。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

三、光电检测器光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。

PIN和APD介绍

PIN和APD介绍

P I N:p o s i t i v e-in trinsic-negativ e（P型半导体-杂质-N型半导体）APD:avalanche photodiode（雪崩二极管）饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。

指在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入光功率。

当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

当APD输入光功率达到一定强度的也随着上升，时候，输出的光电流将趋于饱和。

随着温度的升高，APD的击穿电压VBR如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。

如图：由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压越大，斜率越大，M越大。

理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。

），所以说他是可调的。

同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电。

当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。

但此时产生的压）VB倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。

因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。

对于Si 材料,n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。

由式中还可看出,当| V | →| V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越小。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。
例
InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级
体暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率=0.90，
表面暗电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收 机带宽为20 MHz，计算接收机的各种噪声。 首先计算初级光电流：
信噪比
S
ip 2M 2
N2q(IpID )M 2F (M )B 2qLB I4kB T/B R L
小结：对于 pin 光电二极管，主要噪声电流来自检测器负载电 阻和放大电路的有源器件；而对于雪崩二极管，热噪声并不占 重要地位，主要噪声来源于光检测器的量子噪声和体暗电流。
6.3 检测器响应时间
光检测器介绍
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。
表面暗电流由表面结构(缺陷、清洁程度、面积大小)和偏置电 压决定：
iD 2 S D 2 S2qLIB
不会被雪崩区放大
雪崩倍增噪声
APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的 放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪 声。这里定义F为过剩噪声因子，它近似等于：
FMx
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的 增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1 之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。
56.4110606 90%
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 q(A/W)
光电二极管的响应时间是指它的光电转换速度。影响响 应时间的主要因素：
P Iip n//hqv1Rf 1esw
给定波长，与Pin无关
Ip qq
Pin hv hc
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
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：
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
iN2 N2 iQ2 iD 2 B iD 2 S
Q2 D 2 BD 2 S
2q(IP ID)M2FMB2qILB
放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL，因此检测器的 负载热噪声由RL的热噪声决定：
iT2
T2
4kBT B RL
IpPinhqvPinhqcPin
0 6..9 60 21.6 1 5 0 134J 019 C s(3 1 .31180m 06/m s)31 07W0.28mA 2
量子噪声均方根电流：
i Q 2 2 q p B 2 I ( 1 . 6 1 1 C ) 0 9 0 . 2 ( 1 8 6 A ) 2 0 2 ( 1 6 H 0 ) 0 1 . 8 z 1 1 0 A 2 0 8
其中F(M) Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。 另外暗电流是指，没有光入射时流过检测器偏置电路的电
流，它是体暗电流iDB和表面暗电流iDS之和。iDB来自于检测器 的pn结内因为热运动而产生的电子空穴。对于APD，iDB为：
iD 2 B D 2 B2 qD B I 2 M FM会被雪崩区放大
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：
Lபைடு நூலகம்Dn n 1/2
LpDp
1/2 p
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：
P w P i ( n 1 e sw )
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
IpPin(1Rf)1(esw)hqv
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：
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：
c
1.241.241.7μm Eg 0.73
当波长<1100 nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收，
所产生的电子空隙对的复合寿命很短，很多载流子并没有产
倍增因子M为：
MIM 10mA 43 Ip 0.23m5A
6.2 光检测器噪声
输出端光信噪比： S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)
为了得到较高的信噪比： 1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率 2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低
噪声来源
雪雪雪雪
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。
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。
Pin hv 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：
Ip P i n (0 .6A 5) /( 1 W μ 0 ) W 6 .5 μA
响应度、量子效率 vs. 波长
0.65
1.0 0.9 0.45
生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。
雪崩二极管 (APD)
耗尽区
高阻材料
设计动机：在光生 电流尚未遇到后续 电路的热噪声时已 经在高电场的雪崩 区中得到放大，因 此有助于显著提高 接收机灵敏度
工作过程
拉通型雪崩二极管 (RAPD)
高阻材料 带有少量p掺杂的本征材料
p+ppn+结构
“拉通”来源于其工作情况，当施加一个较低的反向电压时， 大部分电压降在pn+结上。当电压增加时，耗尽区宽度增加， 直到pn+结上的电压低于雪崩击穿电压5%~10%时才停止， 此时耗尽区正好拉通到整个本征p区。
P (x)P 0(1es()x)
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
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
特定的材料只能用于 某个截止波长范围内
光子能量增大方向
材料的截止波长c由
例 (续)
光检测器暗电流：
i D 2 2 B q D B I 2 ( 1 . 6 1 1 C ) 0 9 4 1 ( 9 A ) 0 2 ( 1 6 0 H ) 0 2 . 5 z 1 2 6 A 2 0 0
负载均方热噪声电流为：
i T 2 4 k R B L T B 4 ( 1 .3 1 8 1 2 k J W 0 3 /K )2 (K 9 )2 1 3 0 6 H 0 3 z 1 2 1A 0 3 8 2
类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：
APD hqvMpiM n
例
一种硅APD在波长900 nm时的量子效率为65%，假定0.5 mW的光功率产生的倍增电流为10 mA，试求倍增因子M。初 级光电流为：
IpPinq hiP vnhqcPin
0 6..6 65 2(1 .1 5 6 01 34J 01s9 C)39 (1 180m 07/m s)51 07W0.23mA 5
2 s,p
in ip 2(t)
对于APD，均方信号电流为：
is2 s2,AP Dip 2(t)M2
噪声部分：量子噪声和暗电流噪声
光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有随机 性，从而带来量子噪声。对于接收带宽为B的接收机，量子噪 声均方根电流由下式决定：
iQ 2 Q 22qPIBM 2F(M )
hv RL
雪雪 雪雪雪
(雪 雪 )雪 雪 雪 雪 雪
hv
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
雪雪
雪
雪
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初 级光电流为：
ip(ht) hqv P(t)IDC ip(t)