光纤通信技术课件 半导体光电检测器.pptVIP

光电检测器的工作特性1.响应度R0和量子效率η2.响应时间3.暗电流ID4.雪崩倍增因子G5.倍增噪声和过剩噪声系数F(G)刘勇北京邮电大学半导体的光电效应半导体的光电效应1.半导体的基本概念2.半导体的光电效应1.半导体的基本概念（1）本征半导体的能带分布（2）P型半导体和N型半导体的形成（3）P-N结的形成（1）本征半导体的能带分布本征半导体就是指没有任何外来杂质的理想半导体。由于半导体本身是固体，原子排列紧密，使得电子轨道相互重叠，从而使半导体的分立能级形成了能带。（1）本征半导体的能带分布导带：其中的电子具有导电作用价带：可能被电子占满，也可能被占据一部分满带：电子填充能带时，总是从能量最低的能带向上填充，满带被电子占满，其中的电子不起导电作用禁带Eg费米能级Ef（2）P型半导体和N型半导体的形成如果向本征半导体内掺入不同杂质元素，则相当于给半导体材料提供导电的电子或空穴。将向本征半导体材料掺入提供电子的杂质元素后而形成的半导体材料称为N型半导体，它属于电子导电型；将向本征半导体材料掺入提供空穴的杂质元素后而形成的半导体材料称为P型半导体，它属于空穴导电型。（3）P-N结的形成当P型半导体和N型半导体结合在一起时，即形成P-N结。由于相互间的扩散作用，使得靠近界面的地方，N区剩下带正电的离子，P区剩下带负电的离子，在结区形成空间电荷区。（3）P-N结的形成由于空间电荷区的存在，出现了一个由N指向P的电场，称为内建电场。2.半导体的光电效应光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子-空穴对，又称光生载流子。2.半导体的光电效应光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，从而在电阻R上有信号电压产生。2.半导体的光电效应说明：光子能量hf≥Eg才能使这种材料产生光生载流子λλc的入射光，才能使这种材料产生光生载流子截止频率截止波长刘勇北京邮电大学光纤通信中常用的半导体光电检测器光纤通信中常用的半导体光电检测器1.PIN光电二极管2.APD雪崩光电二极管1.PIN光电二极管（1）半导体的光电效应（2）PIN光电二极管的结构及其工作原理（1）半导体的光电效应光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子-空穴对，又称光生载流子。（1）半导体的光电效应光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，从而在电阻R上有信号电压产生。（1）半导体的光电效应通过研究发现，在P-N结中，由于有内建电场的作用（内建电场使耗尽层的能带形成一个“斜坡”-位垒），光电子和光空穴的运动速度加快，从而使光电流快速地跟着光信号变化，即响应速度快。（1）半导体的光电效应然而在耗尽层以外产生的光电子和光空穴，由于没有内建电场的加速作用，运动速度慢，因而响应速度低，而且容易发生复合，使光电转换效率低。为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，应适当加大耗尽层的宽度。（2）PIN光电二极管的结构及其工作原理在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I层。I层是轻掺杂的，故电子浓度低，经扩散后可形成一个很宽的耗尽层。这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。（2）PIN光电二极管的结构及其工作原理2.APD雪崩光电二极管（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应仍是P-N结形式，只是在二极管的P-N结上加高反向电压（一般为几十伏或几百伏），在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量，越过禁带到导带，产生了新的电子-空穴对；新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对..，如此循环下去，像雪崩一样地发展，从而使光电流在二极管内部获得了倍增。（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理P型由3部分组成。光子从P+层射入，进入I层后，在这里材料吸收了光能并产生了初级电子-空穴对。这时，光电子在I层被耗尽层的较弱的电场加速，移向P-N结。当光电子运动到高场区时，受到强电场的加速作用，出现雪崩碰撞效应，最后，获得雪崩倍增后的光电子到达N+层，空穴被P+层吸收。（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理可以看出，它的耗尽层从结区一直拉通到I层与