光檢測器的工作原理是什么?

（1）PN結的光電效應光電二極管（PD）是一個工作在反向偏壓下的PN結二極管，如下圖。由光電二極管作成的光檢測器的核心是PN結的光電效應。

當PN結加反向偏壓時，外加電場方向與PN結的內建電場方向一致，勢壘加強，在PN結界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區。當光束入射到PN結上，且光子能量hv大于半導體材料的帶隙Eg時，價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導帶上，形成一個電子—空穴對。

在耗盡區，在內建電場的作用下電子向N區漂移，空穴向P區漂移，如果PN結外電路構成回路，就會形成光電流。當入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光信號轉換成電信號。當入射光子能量小于Eg時，不論入射光有多強，光電效應也不會發生，即產生光電效應必須滿足：

λc為產生光電效應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。

利用光電效應可以制造出簡單的PN結光電二極管。但這種光電二極管結構簡單，無法降低暗電流和提高響應度，器件的穩定度也比較差，實際上不適合做光纖通信的檢測器。

（2）PIN光電二極管

1）PIN光電二極管的結構

PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導體之間，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。結構如圖1所示。

由于I層吸收系數很小，入射光可以很容易地進入材料內部被充分吸收而產生大量的電子—空穴對，因此大幅度提高了光電轉換效率。另外，I層兩側的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應速度。

檢測某波長的光時要選擇合適材料作成的光檢測器。

首先，材料的帶隙決定了截止波長要大于被檢測的光波波長，否則材料對光透明，不能進行光電轉換。

其次，材料的吸收系數不能太大，以免降低光電轉換效率。

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

2）響應度

響應度是描述光檢測器能量轉換效率的一個參量。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換為光電子的效率。它定義為單位時間內產生的光電子數與入射光子數之比，即：

η=(光電轉換產生的有效電子-空穴對數)/入射光子數

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。可見，光電檢測器的響應度隨波長的增大而增大。

圖2為PIN光電二極管的響應度、量子效率與波長的關系。可以看出，響應度、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入PN結；同時減少光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區的寬度，使光子在耗盡區內被充分吸收。

4）響應速度

響應速度是光電檢測器的另一個重要參數，通常用響應時間（上升時間和下降時間），如圖3來表示

圖3 光檢測器的脈沖響應

光電二極管在接收機中使用時通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測器的響應特性必然與外電路相關。

圖4為檢測器電路及其等效電路，其中CPN為檢測器的結電容； 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為檢測器的串聯電阻，通常只有幾歐，可以忽略。

影響響應速度的主要因素有：

①檢測器及其有關電路的RC時間常數，設它造成的脈沖前沿上升時間為：ιRC。要提高響應速度，就要降低整個電路的時間常數。從檢測器本身來看，就要盡可能降低結電容。

圖4 光檢測器電路及等效電路

式中，ε為材料的介電常數，A為結面積，W為耗盡區厚度。

②載流子漂移通過耗盡區的渡越時間，設上升時間為：ιdr

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

式中，vd為光身載流子的漂移速度。

漂移運動的速度與電場強度有關，電場強度較低時，漂移速度正比于電場強度，當電場強度達到某一值后，漂移速度不再變化。

③耗盡區外產生的載流子擴散引起的延遲，設上升時間為：ιdi。耗盡區外產生的載流子一部分復合，一部分擴散到耗盡區，被電路吸收。

由于擴散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會帶來附加時延，會使輸出電信號脈沖拖尾加長。

總的上升時間為：

光檢測器的功能

光檢測器的主要功能是將光信號轉換為電信號。光檢測器是光接收模塊的重要部件。目前光纖通信系統中使用的光檢測器主要是移相開關二極管，即PIN二極管。PIN二極管對低頻信號具有整流作用，而對高頻信號，卻只有阻抗作用。阻抗值的大小決定于中間層。當中間層為正偏時，因為有載流子注入中間層，器件呈低阻；而當中間層處于零偏或反偏時，器件呈高阻。從而可以用于信息的檢測。

光檢測器的一個重要性質就是接收靈敏度，它是外入光信號使接收器工作必須具有的最小功率。應該指出，接收器靈敏度是針對一定范圍的光波長而言的。

光纖通信系統對光檢測器的要求：

（1）在工作波長上光電轉換效率高，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；

（2）響應速度快，線性好及頻帶寬，使信號失真盡量小。

（3）噪聲低，器件本身對信號的影響小；

（4）體積小、壽命長、高可靠、工作電壓低等。