半導(dǎo)體光檢測器原理

最簡單的光電檢測器的結(jié)構(gòu)如圖（1-a）所示，為一P-N結(jié)。在P-N結(jié)間由于載流子的擴(kuò)散作用形成寬為W的耗盡層，并產(chǎn)生圖示方向的內(nèi)建電場。如將P-N結(jié)部連接，由于耗盡層內(nèi)缺乏載流子，外電路中無電流。這時用適當(dāng)波長的光去照射，則在外電路中產(chǎn)生相應(yīng)的電流—光生電流。圖（1-b）表示P-N結(jié)的能帶圖，在光照射下價(jià)帶Ev中的電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶民，在價(jià)帶留下了空穴（這種在光作用下產(chǎn)生的載流子叫光生載流子）。它們在耗盡層內(nèi)在內(nèi)建電場作用下作漂移運(yùn)動；在耗盡區(qū)外先靠擴(kuò)散作用進(jìn)入耗盡層，再做漂移運(yùn)動，這樣就在外電路中形成反向電流，即光生電流。這種由于光的照射而產(chǎn)生電流的效應(yīng)叫光電效應(yīng)。另有在耗盡層中產(chǎn)生的光生載流子才能有效地形成光生電流，因而為提高光電轉(zhuǎn)換的效率，需使耗盡層加寬。光電二極管加反向偏壓工作，就是為此目的。

PIN光電二極管是在P層和N層之間加了較寬的近于本征半導(dǎo)體的輕摻雜I層，在反向偏壓作用下，其中載流子被掃清，使其耗盡層大大加寬，因而其光電轉(zhuǎn)換效率比P-N結(jié)光電二極管大為提高。

APD光電二極管，即雪崩光電二極管是有增益的光電器件，其增益由雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生。APD管工作時反偏壓很高，光生載流子在耗盡層的高電場區(qū)獲得很大的動能，產(chǎn)生雪崩式碰撞，使光電流獲得了雪崩倍增。

特性 ①響應(yīng)度R和量子效率η：響應(yīng)度R，表明將光功率轉(zhuǎn)換為電流的能力，是波長λ的函數(shù)：R(λ) ≡I/P，P為輸入的光功率，I為輸出的光電流；量子效率η的含意為平均每個光子所能激發(fā)的載流子數(shù)，η(λ) ≡，式中e為電子電荷，hγ為入射光子能量。R和η之間的關(guān)系為，式中M為APD的倍增因子。對無倍增器件M=l；②光譜響應(yīng)：是R（λ）隨入射光波長變化的特性，R（λ）降到峰值一半對應(yīng)的波長，長波側(cè)稱長波限（取決于材料的帶隙），短波側(cè)稱短波限（取決于吸收系數(shù)的陡增）；③噪聲等效功率：NEP≡P/()，式中S為有用信號電流，N為噪聲電流，△f為接收機(jī)帶寬，④暗電流：無光照時，器件在工作點(diǎn)的電流。它是直流噪聲的主要來源，它包括擴(kuò)散電流，耗盡層的復(fù)合電流，隧道電流及表面漏電流；⑤脈沖響應(yīng)時間：指對瞬變光信號的響應(yīng)能力，包括脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。如果檢測器的響應(yīng)速度跟不上光信號的變化，輸出的光電流將隨著調(diào)制頻率的提高而減小。其它還有伏安特性、溫度特性及退化特性等。

在0.8～0.9μm波段，硅APD已具有接近理想的性能。在1.3～1.55μm波段，使用的三種光檢測器的比較見表所列。這些器件的性能都尚未達(dá)到完善的地步。大于1.6μm波段，可使用AlGaSb（鋁鎵銻）/GaSb（鎵銻化物），HgCdTe/CdTe的光檢測器。

1.3μm、1.55μm波段三種光纖通信用光檢測器比較表

利用半導(dǎo)體P-N結(jié)的內(nèi)光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓馄骷９饫w通信用的半導(dǎo)體光檢測器有半導(dǎo)體光電二極管（P-N結(jié)或PIN）和半導(dǎo)體雪崩光電二極管（APD）；光電子集成中也用肖特基勢壘或光晶體管。它們都具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快和噪聲較低等優(yōu)點(diǎn)。

光檢測器包括：光電倍增管、熱電探測器、光電二極管

常見的半導(dǎo)體光檢測器包括：PN光電二極管、PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。

光纖通信系統(tǒng)要求光檢測器：

（1） 靈敏度高：靈敏度高表示檢測器把光功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯男矢?。在?shí)際的光接收機(jī)中，光纖傳來的信號及其微弱，有時只有1nw左右。為了得到較大的信號電流，人們希望靈敏度盡可能的高。

（2） 響應(yīng)速度快：指射入光信號后，馬上就有電信號輸出；光信號一停，電信號也停止輸出，不要延遲。這樣才能重現(xiàn)入射信號。實(shí)際上電信號完全不延遲是不可能的，但是應(yīng)該限制在一個范圍之內(nèi)。隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率的不斷提高，超高速的傳輸對光電檢測器的響應(yīng)速度的要求越來越高，對其制造技術(shù)提出了更高的要求。

（3） 噪聲小：為了提高光纖傳輸系統(tǒng)的性能，要求系統(tǒng)的各個組成部分的噪聲要求足夠小。但是對于光電檢測器要求特別嚴(yán)格，因?yàn)樗窃跇O其微弱的信號條件下工作，又處于光接收機(jī)的最前端，如果在光電變換過程中引入的噪聲過大，則會使信號噪聲比降低，影響重現(xiàn)原來的信號。

（4） 穩(wěn)定可靠：要求檢測器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和環(huán)境變化的影響，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。