通信用光器件课件.ppt

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1、通信用光器件第1页，此课件共91页哦 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂漂移移电电流流相相同同方向方向的扩散电流扩散电流。漂漂移移电电流流分量和扩扩散散电电流流分量的总和即为光光生生电电流流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应光电效应。第2页，此课件共91页哦 当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线线性性变变化化，从而把光信号光信号转换成电信号电信号。这种由PN结构成，在入射

2、光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光光电电二二极极管管(PD)。第3页，此课件共91页哦 如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施施加加适当的反反向向偏偏压压，目的是增增加加耗耗尽尽层层的的宽宽度度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量扩散分量。第4页，此课件共91页哦第5页，此课件共91页哦 由于载流子扩扩散散运运动动比漂漂移移运运动动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响响应应速速度度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结

3、光电二极管的结构。第6页，此课件共91页哦 3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 PIN光电二极管的产生光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光光电电转转换换效效率率低低，响响应应速速度度慢慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本本征征半半导导体体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管光电二极管。第7页，此课件共91页哦 PIN光电二极管光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。第8页，此课件共91页哦图3.21 PIN光电二极管结构第9页，此课件共91页哦 中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体，用(N

4、)表示；两侧是掺杂浓度掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子电子-空穴对空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率光电转换效率。第10页，此课件共91页哦 两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层耗尽层，因而光生电流中漂漂移分量移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度响应速度。第11页，此课件共91页哦PIN光电二极管具有如下主要特性：(一)量子效率和光谱特性量子效率和光谱特性。(1)光光电电转转换换效效率率

5、用量量子子效效率率或响响应应度度表示。量量子子效效率率的定义为一次光光生生电电子子-空空穴穴对对和入射光子数入射光子数的比值(3.13)第12页，此课件共91页哦 响响应应度度的定义为一次光光生生电电流流IP和入入射射光光功功率率P0的比值(3.14)式中，hf 为光子能量光子能量，e为电子电荷电子电荷。第13页，此课件共91页哦 （2）量子效率量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱吸收光谱()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c=hc/Eg。图3.22示出量子效率量子效率和响应度响应度的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m

6、波段。响应度一般为0.50.6(A/W)。第14页，此课件共91页哦图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系第15页，此课件共91页哦 (二)响应时间和频率特性响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响响应应能能力力用脉冲响应时间脉冲响应时间或截止频率截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉脉冲冲上上升升时时间间r和脉脉冲下降时间冲下降时间f。第16页，此课件共91页哦 当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)

7、和exp(-t/0)，由此得到脉脉冲冲响响应应时时间间 =r=f=2.20 (3.16)对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截截止止频频率率fc。当光电二极管具有单一时间常数0时，第17页，此课件共91页哦（3.17）PIN光电二极管响响应应时时间间或频频率率特特性性主主要要由由光生载流子在耗尽层的渡渡越越时时间间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数常数所确定确定。当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为第18页，此课件共91页哦(3.18)（3.19）式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs

8、为载流子渡越速度，比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，减减小小耗耗尽尽层层宽宽度度w，可以减减小小渡渡越越时时间间d，从而提提高高截截止止频频率率fc，但是同时要降低降低量子效率量子效率。第19页，此课件共91页哦图3.23 内量子效率和带宽的关系第20页，此课件共91页哦 由电路RC时间常数限制的截止频率截止频率(3.20)式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。(3.21)式中，为材料介电常数材料介电常数，A为结面积结面积，w为耗尽层耗尽层宽度。第21页，此课件共91页哦 (三三)噪声噪声。噪声噪声影响光接收机的灵敏度灵

9、敏度。噪噪声声包括散散粒粒噪噪声声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热热噪噪声声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（1）均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。第22页，此课件共91页哦 2eIPB 称为量量子子噪噪声声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生)2eIdB是暗电流暗电流产生的噪声。暗暗电电流流是器件在反反偏偏压压条件下，没有入射光时产生的反向直流反向直流电流。第23页，此课件共91页哦（1）均方热噪声电流均方热噪声电流(3.23)i2T

10、=式中，k=1.3810-23J/K为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。因此，光电二极管的总均方噪声电流总均方噪声电流为 i2=2e(IP+Id)B+(3.24)第24页，此课件共91页哦 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管输输出出电电流流 I和反反偏偏压压U的关系示于图3.24。随着反反向向偏偏压压的增加，开始光光电电流流基本保持不变。当反反向向偏偏压压增加到一定数值时，光光电电流流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压击穿电压UB。第25页，此课件共91页哦 如果如果电压增加到使电场达到200

11、kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子电子-空穴对空穴对。APD就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子电子-空穴对空穴对。第26页，此课件共91页哦新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子载流子雪雪崩式倍增崩式倍增，见图3.25。所以所以这种器件就称为雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。第27页，此课件共91页哦 图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 第28页，此课件共91页哦 图 3.25 APD载流

12、子雪崩式倍增示意图(只画出电子）第29页，此课件共91页哦图3.26 APD结构图 图3.26示出的N+PP+结构被称为拉通型拉通型APD。第30页，此课件共91页哦 对APD特性新引入的参数是倍增因子倍增因子和附加噪声指数附加噪声指数 1.倍增因子倍增因子 倍增因子倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流光电流Io和一次光生光生电流电流IP的比值。(3.25)APD的响应度响应度比PIN增加了g倍。第31页，此课件共91页哦(3.26)U为反反向向偏偏压压，UB为击击穿穿电电压压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻体电阻。当UUB时，RIo/UB1)

13、是雪雪崩崩效效应应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流均方量子噪声电流应为i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中，x为附加噪声指数。第33页，此课件共91页哦 同理，APD暗电流暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x (3.27)附附加加噪噪声声指指数数x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。第34页，此课件共91页哦 3.2.4 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用

14、 表3.3和表3.4列出半导体光光电电二二极极管管(PIN和APD)的一般性能。APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵灵敏敏度度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。灵敏度灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。第35页，此课件共91页哦-5-15-5-15工作电压工作电压 /V120.51结电容结电容 Cj/pF0.21210响应时间响应时间250.11暗电流暗电流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度响应度1.01.60.41.0波长响应波长响应InGaAs-PINSi-PIN表表3.3 PIN光电二极管一般特性光电二极管一般特性第36页，此课件共91页哦0.50.70.30.4附加噪声指数附加噪声指数 x203030100倍增因子倍增因子 g406050100工作电压工作电压 /V60串扰串扰/dB571.31.70.71.3插入损耗插入损耗/dB88电光电光12磁光磁光1010机械机械开关类型开关类型表表3.8 两类光开关一般性能两类光开关一般性能第91页，此课件共91页哦