利用半導體P-N結的內光電效應把光信號轉變為電信號的光器件。
基本介紹
- 中文名：半導體光檢測器
- 外文名：semiconductor photodetector
- 套用學科：光纖通信技術
簡介,原理,
簡介
利用半導體P-N結的內光電效應把光信號轉變為電信號的光器件。光纖通信用的半導體光檢測器有半導體光電二極體（P-N結或PIN）和半導體雪崩光電二極體（APD）；光電子集成中也用肖特基勢壘或光電晶體。它們都具有體積小、靈敏度高、回響速度快和噪聲較低等優點。
原理
圖1 光檢測結構及原理圖最簡單的光電檢測器的結構如圖（1-a）所示，為一P-N結。在P-N結間由於載流子的擴散作用形成寬為W的耗盡層，並產生圖示方向的內建電場。如將P-N結部連線，由於耗盡層內缺乏載流子，外電路中無電流。這時用適當波長的光去照射，則在外電路中產生相應的電流—光生電流。圖（1-b）表示P-N結的能帶圖，在光照射下價帶Ev中的電子吸收光子躍遷到導帶民，在價帶留下了空穴（這種在光作用下產生的載流子叫光生載流子）。它們在耗盡層內在內建電場作用下作漂移運動；在耗盡區外先靠擴散作用進入耗盡層，再做漂移運動，這樣就在外電路中形成反向電流，即光生電流。這種由於光的照射而產生電流的效應叫光電效應。另有在耗盡層中產生的光生載流子才能有效地形成光生電流，因而為提高光電轉換的效率，需使耗盡層加寬。光電二極體加反向偏壓工作，就是為此目的。
PIN光電二極體是在P層和N層之間加了較寬的近於本徵半導體的輕摻雜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，因而其光電轉換效率比P-N結光電二極體大為提高。
APD光電二極體，即雪崩光電二極體是有增益的光電器件，其增益由雪崩倍增效應產生。APD管工作時反偏壓很高，光生載流子在耗盡層的高電場區獲得很大的動能，產生雪崩式碰撞，使光電流獲得了雪崩倍增。
特性 ①回響度R和量子效率η：回響度R，表明將光功率轉換為電流的能力，是波長λ的函式：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的載流子數，η(λ) ≡，式中e為電子電荷，hγ為入射光子能量。R和η之間的關係為，式中M為APD的倍增因子。對無倍增器件M=l；②光譜回響：是R（λ）隨入射光波長變化的特性，R（λ）降到峰值一半對應的波長，長波側稱長波限（取決於材料的帶隙），短波側稱短波限（取決於吸收係數的陡增）；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為接收機頻寬，④暗電流：無光照時，器件在工作點的電流。它是直流噪聲的主要來源，它包括擴散電流，耗盡層的複合電流，隧道電流及表面漏電流；⑤脈衝回響時間：指對瞬變光信號的回響能力，包括脈衝上升時間τr和脈衝下降時間τf。如果檢測器的回響速度跟不上光信號的變化，輸出的光電流將隨著調製頻率的提高而減小。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，矽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到完善的地步。大於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
圖2 三種光纖通信用光檢測器