光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)演示幻灯片.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,光检测器介绍,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,主要内容,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。,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。,6.1,光电二极管的物理原理,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,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,E,g,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。,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,L,n,和,L,p,，这个距离即扩散长度，分别由下式决定：,D,n,和,D,p,分别为电子和空穴的扩散系数，,t,n,和,t,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：,其中,a,s,(,l,),为材料在波长,l,处的吸收,系数，,P,0,是入射光功率，,P,(,x,),是通,过距离,x,后所吸收的光功率。,电子和空穴的扩散长度,a,s,(,l,),增加,P,(,x,),x,不同材料吸收系数与波长的关系,材料的截止波长,l,c,由其带隙能量,E,g,决定：,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,(,a,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。,光吸收系数,(cm,-1,),光穿透深度,(,m,m),光子能量增大方向,特定的材料只能用于,某个截止波长范围内,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：,因此，检测器不能用于波长范围大于,869 nm,的系统中。,例,如果耗尽区宽度为,w,，,在距离,w,内吸收光功率为：,如果二极管的入射表面反射系数为,R,f,，初级光电流为：,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：,pin的量子效率,有一个,InGaAs,材料的光电二极管，在100,ns,的脉冲时段内共入射了波长为1300,nm,的光子6,10,6,个，平均产生了 5.4,10,6,个电子空隙对，则其量子效率可以等于：,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。,例,光电二极管的性能常使用响应度 来表征：,例：能量为1.53,x10,-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,m,W，,则产生的光电流为：,pin的响应度,响应度、量子效率,vs.,波长,0.65,0.45,0.9,1.0,给定波长，,h,与,P,in,无关,给定波长，,R,为常数,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,由光子能量不足造成,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：,当波长为1300,nm,时：,当波长大于1600,nm,时，光子能量不足以激发出一个电子，例如,In,0.53,Ga,0.47,As,的带隙能量为,E,g,=0.73 eV,，故截止波长为：,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生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。,例,雪崩二极管,(APD),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,耗尽区,高阻材料,工作过程,拉通型雪崩二极管(RAPD),“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。,高阻材料,带有少量,p,掺杂的本征材料,p,+,p,pn,+,结构,光电二极管中所有载流子产生的倍增因子,M,定义为：,其中，,I,M,是雪崩增益后输出电流的平均值，而,I,p,是未倍增时的初级光电流，,V,是反向偏压，,V,B,为二极管击穿电压，,n,一般为,2.57,。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。,类似于,pin,，,APD,的性能也由响应度来表征：,倍增因子和响应度,一种硅,APD,在波长900,nm,时的量子效率为65%，假定0.5,m,W,的光功率产生的倍增电流为10,m,A，,试求倍增因子,M,。,初级光电流为：,倍增因子,M,为：,例,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,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：,对于,pin，,均方信号电流为：,对于,APD，,均方信号电流为：,信号部分：光生电流信号,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：,其中,F,(,M,),M,x,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,i,DB,和表面暗电流,i,DS,之和。,i,DB,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,，,i,DB,为：,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：,噪声部分：量子噪声和暗电流噪声,会被雪崩区放大,不会被雪崩区放大,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,01,之间变化，,x,对于,Si APD,为0.3，对,InGaAs APD,为0.7，对,Ge APD,为1.0。,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：,光检测器的总均方噪声电流为：,放大器输入阻抗一般远大于负载电阻,R,L,，因此检测器的负载热噪声由,R,L,的热噪声决定：,总噪声,其中,K,B,为波尔兹曼常数，,T,是绝对温度。,InGaAs,光电二极管在波长为1300,nm,时有如下参数：初级体暗电流,I,D,=4 nA，,负载电阻,R,L,=1000,W,，量子效率,h,=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：,量子噪声均方根电流：,例,光检测器暗电流：,负载均方热噪声电流为：,例,(,续,),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。,信噪比,6.3,检测器响应时间,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：,1,耗尽区的光载流子的渡越时间；,2 耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；,3 光电二极管以及与其相关的电路的,RC,时间常数。,影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度,w,、吸收系数,a,s,、等效电容、等效电阻等。,一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的极限速度。,例如：耗尽层为,10,m,m,的,Si,光电二极管,电场强度：,20000 V/cm,电子最大速度：,8.4 x 10,6,cm/s,空穴最大速度：,4.4 x 10,6,cm/s,极限响应时间：,0.1 ns,光载流子渡越时间,耗尽区内产生的光生载流子,光载流子扩散时间,耗尽区外产生的光生载流子,p,区或,n,区产生的载流子,向耗尽区扩散,在耗尽区内漂移到电极,存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间,解决办法：尽量扩大耗尽层宽度,扩散速度,漂移速度,当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间,t,r,和下降,t,f,时间来表示。,在理想情况下,t,r,=,t,f,，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度远小于漂移速度，使得,t,r,t,f,，造成脉冲不对称。,上升时间和下降时间,光电二极管脉冲响应,1.,为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度,w,必须大于,1/,a,s,(,吸,收系数的倒数,),，以便可以吸收大部分的光；,2.,同时如果,w,较大，会让二极管结电容,C,变小，于是,R,L,C,常数,变小，从而得到较快的响应；,3.,但是过大的,w,会导致渡越时间的增大,折衷取值范围：,1/,a,s,w,2/,a,s,带宽,设,R,T,是负载电阻和放大器输出电阻的组合，,C,T,是光电二极管结电容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个,RC,低通滤波器，其带宽为：,例：如果光电二极管的电容为3,PF，,放大器电容为4,PF，,负载电阻为1,K,欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则,C,T,=7 PF，,R,T,=1 K,欧姆，所以电路带宽：,如果将负载电阻降为,50,欧姆，电路带宽增加为,455 MHz,。,6.4 InGaAs APD,结构,金属电极,InP,倍增层,InGaAs,吸收层,InP,缓冲层,InP,衬底,光输入,一种广泛应用的吸收和倍增分离的结构,特点：,工作波长在,11001700,m,m,高量子效率,低暗电流,高雪崩增益,6.5,温度对雪崩增益的影响,电子空穴的电离速度取决于温度使得,APD,对温度非常敏感。电离速度变快，增益会增加。为保证温度变化时增益不变，需要增加一个补偿电路，根据温度变化调整偏置电压。,给定偏置电压，降低温度，则,电离速度增加，电流增益变大,电流增益,电压,偏置电压很大时，对温,度的敏感程度大大增加,其中，,V,B,与温度的关系：,参数,n,也随温度变化：,a,b,可从实验中得到。,回顾,M,与,V,B,的关系：,谢谢大家！,