光电子学第二章-2.ppt

载流子输运典型时间：?dif?3.7ns?dr?0.05ns?c?3.5ns决定PD响应速度的主要因素：载流子扩散时间，电路时间常数。频率响应特性五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）SiPD的局限性从响应时间来说，响应时间取决于光生载流子扩散到结区所需时间和结电容，限制了PD在高速光通信系统中的应用。考虑采取的措施减小光生载流子扩散距离（浅结）减小PN结面积增加势垒区宽度适当增加工作电压为了适应高速响应，必须改善频率响应特性，措施：PINPD五、光电探测器光伏探测器-光电二极管（PD）结构和电场分布PINSi-PD结构示意图PINSi-PD电场分布PIN：P-Intrinsic-N五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）若用?=103??cm的单晶Si片，在稍高于10V的反向偏压下就可使I层变为耗尽层，可以把I层厚度看成耗尽层宽度。PINPD结构特点：P区很薄，I区足够厚，保证大部分入射光子在I区中吸收。五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）PINPD中I层的作用耗尽层加宽，增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件灵敏度。I层的存在，使击穿电压不再受基体材料的限制，用低电阻基体材料就可取得高的反向击穿电压，而器件的串联电阻可大大减小。结电容减小，一般在10pF量级。提高了器件的响应速度。五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）PINPD的性能特点频带宽，可达10GHz。1PINPD在光通信、光雷达以及其它快速光电自动控制领域得到了非常广泛的应用。2五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）尽管PIN比PD有所改进，但由于耗尽区加宽而且所加反向偏压又不能很高，故载流子的漂移时间势必要拉长，从而影响响应速度的进一步提高。PIN光电流很微弱，使用时须多次放大，不可避免引入放大器噪声，降低接收机的信噪比。光生电流在其内部先进行放大，具有雪崩增益作用。PINPD的局限性：措施五、光电探测器光伏探测器-PIN光电二极管（PIN-PD）APD：AvalanchePhotodiode基于载流子雪崩效应，从而提供电流内增益的光电二极管。偏压要求：一般PN结PD：几十伏以下APD：几百伏左右。材料要求：高纯度、高电阻率、均匀性非常好的硅或锗单晶材料。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APD雪崩倍增效应五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APDAPD的结构当反向偏压增大到雪崩击穿电压的90%~95%时，耗尽层的宽度刚好“拉通”到几乎整个本征的?区。?五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APDAPD的特性（1）增益特性：灵敏度高，输出电流是普通PD的M倍。M：雪崩电流增益因子（产生雪崩倍增时的光电流Is与无雪崩倍增时的光电流Is0之比。V—APD工作时的反向偏压Vbr—APD的雪崩击穿电压d—与材料掺杂情况有关的系数n+p结：d=2，p+n结：d=4五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APDAPD的特性（2）频率响应特性：响应时间短，频带可达100GHz。是目前响应最快的一种光电二极管。适用于光纤高速通信、激光测距及其它微弱光的探测等。（3）噪声特性：散粒噪声和热噪声APD在雪崩过程中它的电离是随机的，电离后电子、空穴的运动方向、运动速度也是随机的，因而散粒噪声比普通PD来的大。（4）APD在接近击穿时，有暗电流迅速变大的缺陷。五、光电探测器光伏探测器-光电二极管-APD结构和作用原理：Si光电三极管的结构使用电路等效电路PD实现内增益的途径：APD：利用载流子雪崩效应光电三极管：利用一般晶体三极管的电流放大原理。五、光电探测器光伏探测器-光电三极管光电三极管等效于一个光电二极管与一个一般晶体管的基极、集电极并联。集电极—基极光电二极管：产生光电流，输入到共发射三极管的基极再得到放大。集电极起双重作用：光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般晶体管的集电极作用。灵敏度是PD的数十倍，输出电流比PD大得多，一般为mA级。多用作光电开关或光电逻辑元件。五、光电探测器光伏探测器-光电三极管光热探测器是以光辐射能与半导体材料中晶格相互作用为基础的一种器件。种类：热敏电阻测辐射热计热电偶（堆）探测器热释电探测器五、光电探测器光热探测器光热探测器的信号形成过程：第一阶段：辐射能?热能 由探测器的温度变化可确定所吸收的辐射能。第二阶段：热能?电能 由探测器的输出电信号可确定探测器的温度变化。