光檢測(cè)器的工作原理是什么?

（1）PN結(jié)的光電效應(yīng)光電二極管（PD）是一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，如下圖。由光電二極管作成的光檢測(cè)器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。

當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時(shí)，外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個(gè)電子—空穴對(duì)。

在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場的作用下電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，如果PN結(jié)外電路構(gòu)成回路，就會(huì)形成光電流。當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)入射光子能量小于Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足：

λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，稱為截止波長。

以Si為材料的光電二極管,λc=1.06μm；以Ge為材料的光電二極管，λc=1.60μm。

利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，無法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實(shí)際上不適合做光纖通信的檢測(cè)器。

（2）PIN光電二極管

1）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，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下，I層中形成很寬的耗盡層。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于I層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子—空穴對(duì)，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時(shí)間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。

檢測(cè)某波長的光時(shí)要選擇合適材料作成的光檢測(cè)器。

首先，材料的帶隙決定了截止波長要大于被檢測(cè)的光波波長，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。

其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。

Si―PIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍為0.5～1μm。Ge―PIN和InGaAs―PIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍約為1～1.7μm。

2）響應(yīng)度

響應(yīng)度是描述光檢測(cè)器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參量。它定義為：

其中，P0為入射到光電二極管上的光功率；Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/W。

3）量子效率

量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即：

η=(光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子-空穴對(duì)數(shù))/入射光子數(shù)

其中,e為電子電荷，其值為1.6×10-19 C。所以有：

式中,λ單位取μm?？梢姡怆姍z測(cè)器的響應(yīng)度隨波長的增大而增大。

圖2為PIN光電二極管的響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系?？梢钥闯?，響應(yīng)度、量子效率隨著波長的變化而變化。為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，使入射光子盡可能多地進(jìn)入PN結(jié)；同時(shí)減少光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。

4）響應(yīng)速度

響應(yīng)速度是光電檢測(cè)器的另一個(gè)重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間），如圖3來表示

圖3 光檢測(cè)器的脈沖響應(yīng)

光電二極管在接收機(jī)中使用時(shí)通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測(cè)器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。

圖4為檢測(cè)器電路及其等效電路，其中CPN為檢測(cè)器的結(jié)電容； Rb為偏置電阻；Ra、Ca分別為放大器的輸入電阻和輸入電容；Rs為檢測(cè)器的串聯(lián)電阻，通常只有幾歐，可以忽略。

影響響應(yīng)速度的主要因素有：

①檢測(cè)器及其有關(guān)電路的RC時(shí)間常數(shù)，設(shè)它造成的脈沖前沿上升時(shí)間為：ιRC。要提高響應(yīng)速度，就要降低整個(gè)電路的時(shí)間常數(shù)。從檢測(cè)器本身來看，就要盡可能降低結(jié)電容。

圖4 光檢測(cè)器電路及等效電路

式中，ε為材料的介電常數(shù)，A為結(jié)面積，W為耗盡區(qū)厚度。

②載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間，設(shè)上升時(shí)間為：ιdr

光電二極管的響應(yīng)速度主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在電場作用下的漂移通過所需時(shí)間(即渡越時(shí)間)的限制。渡越時(shí)間：

式中，vd為光身載流子的漂移速度。

漂移運(yùn)動(dòng)的速度與電場強(qiáng)度有關(guān)，電場強(qiáng)度較低時(shí)，漂移速度正比于電場強(qiáng)度，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到某一值后，漂移速度不再變化。

③耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲，設(shè)上升時(shí)間為：ιdi。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收。

由于擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會(huì)帶來附加時(shí)延，會(huì)使輸出電信號(hào)脈沖拖尾加長。

總的上升時(shí)間為：

光檢測(cè)器的功能

光檢測(cè)器的主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光檢測(cè)器是光接收模塊的重要部件。目前光纖通信系統(tǒng)中使用的光檢測(cè)器主要是移相開關(guān)二極管，即PIN二極管。PIN二極管對(duì)低頻信號(hào)具有整流作用，而對(duì)高頻信號(hào)，卻只有阻抗作用。阻抗值的大小決定于中間層。當(dāng)中間層為正偏時(shí)，因?yàn)橛休d流子注入中間層，器件呈低阻；而當(dāng)中間層處于零偏或反偏時(shí)，器件呈高阻。從而可以用于信息的檢測(cè)。

光檢測(cè)器的一個(gè)重要性質(zhì)就是接收靈敏度，它是外入光信號(hào)使接收器工作必須具有的最小功率。應(yīng)該指出，接收器靈敏度是針對(duì)一定范圍的光波長而言的。

光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的要求：

（1）在工作波長上光電轉(zhuǎn)換效率高，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；

（2）響應(yīng)速度快，線性好及頻帶寬，使信號(hào)失真盡量小。

（3）噪聲低，器件本身對(duì)信號(hào)的影響??；

（4）體積小、壽命長、高可靠、工作電壓低等。