第十一讲 光电检测器
主要内容
? 一、光电检测器的基本工作
原理
? 二,PIN光电检测器
? 三、雪崩光电检测器 APD
一、光电检测器的工作原理
? 光电检测器是外加反向偏压的 PN结，当
入射光作用时，发生受激吸收产生 光生
电子 -空穴对，这些电子 -空穴对在耗尽层
内建电场作用下形成漂移电流，同时在
耗尽层两侧部分电子 -空穴对由于扩散运
动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散
电流，这两部分电流之和为光生电流。
光电二极管的工作原理
光生电动势
空穴
电子 扩散
N P 扩散
漂移
复合
复合
漂移
光
(a) 光电效应
反偏压
空穴
电子 P 导带
光
(b) 加反向偏压后的能带
价带
N
耗尽层
二,PIN光电检测器
? PIN光电检测器的工作原理和
结构
? PIN光电检测器的主要特性
? PIN光电检测器的一般性能
PIN光电检测器的工作原理
? PIN是为提高光电转换效率而在
PN结内部设置一层掺杂浓度很低
的本征半导体（ I层）以扩大耗尽
层宽度的光电二极管。
PIN的工作原理示意图
P+
W
光
I N+
能
量
PIN光电检测器的结构
P +
N +
I
入射光
电极
电极
E
抗反射膜
PIN光电检测器的主要特性
? 量子效率
? 光谱特性
? 响应时间
? 频率特性
? 噪声特性
量子效率 =光生电子 -空穴对数／
入射光子数, 即
响应度 —— 是光生电流 和入
射光功率 的比值
eP
hfI P
0
??
R
0P
PI
噪声特性
噪声直接影响光接收机的灵敏度 。 光电二
极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪
声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的
热噪声 。 通常噪声用均方噪声电流描述 。
? 均方散粒噪声电流
? 均方热噪声电流
? 总均方噪声电流
BIIeI dpth )(22 ??
R
KT BI
T
42 ?
R
K T BBIIeI
dpt
4)(22 ???
? 响应时间 —— 光生电流脉冲前沿由最大幅度的
10%上升到 90％, 或由后沿的 90%下降到 10%的
时间定义为脉冲上升时间和脉冲下降 时间 。
脉冲响应时间为,
? 频率特性 —— 当光电二极管具有单一时间常数
时, 截止频率为,
? [结论 ]：减小耗尽层宽度可以减小渡越时间,
从而提高截止频率 。, 但会降低量子效率 。
02.2 ???? ??? rf
r
fc ??? 35.02 1
0
??
PIN光电检测器的一般性能
m??
)( 1??WA?
nAId
ns?
pFC
V/
Si-PIN InGaAs-PIN
波长响应
0.4～ 1.0
1～ 1,6
响应度
0.4 (0.85μm)
0.5（ 1.31μm）
暗电流
0.1～ 1
2～ 5
响应时间
2～ 10
0.2～ 1
结电容
0.5～ 1
1～ 2
工作电压 /V
－ 5～ － 15
－ 5～ － 15
三、雪崩光电检测器 APD
? APD的工作原理
? APD的结构
? APD的主要特性
? APD的一般性能
APD的工作原理
? APD是通过在其结构中构造一个强电场区，
当光入射到 PN结后，光子被吸收产生电
子 -空穴对，这些电子 -空穴对运动进入强
电场区后获得能量做高速运动，与原子
晶格产生碰撞电离出新的电子 -空穴对，
该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。
APD的结构
N +
P +
I（ P）
入射光
电极
抗反射膜
P
E
强电场区
低电场区
APD的主要特性
? 1） 倍增因子 g
—— 定义为 APD输出光电流 Io和一次光生电流 IP的
比值 。
? 2） 过剩噪声因子 F
—— 是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数
PI
Ig 0?
22 2 BgeII pq ?
APD的倍增因子
倍增因子 g —— 定义为 APD输出光电流 Io和一次
光生电流 IP的比值 。
PI
Ig 0?
过剩噪声因子 F
? 过剩噪声因子 F —— 是由于雪崩效应的随机性
引起噪声增加的倍数 。 设 （ x是附加噪
声指数 ）, 则 APD的均方量子噪声电流为
同理, APD的均方暗电流噪声电流为
附加噪声指数与器件所用材料和制造工艺有
关, Si-APD 的 x=0.3～ 0.5,Ge-APD的 x= 0.8～
1.0,InGaAs-APD的 x =0.5～ 0.7。
xgF ?
xpq BgeII ?? 22 2
xdd BgeII ?? 22 2
APD光电检测器的一般性能
m??
)( 1??WA?
nAId
ns?
pFC
V/
g
x
Si-APD InGaAs-APD
波长响应
0.4～ 1.0
1～ 1,65
响应度
0.5
0.5～ 0.7
暗电流
0.1～ 1
10～ 20
响应时间
0.2～ 0.5
0.1～ 0.3
结电容
1～ 2
＜ 0,5
工作电压
50～ 100
40～ 60
倍增因子
30～ 100
20～ 30
附加噪声指数
0.3～ 0.5
0.5～ 0.7
nAId
主要内容
? 一、光电检测器的基本工作
原理
? 二,PIN光电检测器
? 三、雪崩光电检测器 APD
一、光电检测器的工作原理
? 光电检测器是外加反向偏压的 PN结，当
入射光作用时，发生受激吸收产生 光生
电子 -空穴对，这些电子 -空穴对在耗尽层
内建电场作用下形成漂移电流，同时在
耗尽层两侧部分电子 -空穴对由于扩散运
动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散
电流，这两部分电流之和为光生电流。
光电二极管的工作原理
光生电动势
空穴
电子 扩散
N P 扩散
漂移
复合
复合
漂移
光
(a) 光电效应
反偏压
空穴
电子 P 导带
光
(b) 加反向偏压后的能带
价带
N
耗尽层
二,PIN光电检测器
? PIN光电检测器的工作原理和
结构
? PIN光电检测器的主要特性
? PIN光电检测器的一般性能
PIN光电检测器的工作原理
? PIN是为提高光电转换效率而在
PN结内部设置一层掺杂浓度很低
的本征半导体（ I层）以扩大耗尽
层宽度的光电二极管。
PIN的工作原理示意图
P+
W
光
I N+
能
量
PIN光电检测器的结构
P +
N +
I
入射光
电极
电极
E
抗反射膜
PIN光电检测器的主要特性
? 量子效率
? 光谱特性
? 响应时间
? 频率特性
? 噪声特性
量子效率 =光生电子 -空穴对数／
入射光子数, 即
响应度 —— 是光生电流 和入
射光功率 的比值
eP
hfI P
0
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R
0P
PI
噪声特性
噪声直接影响光接收机的灵敏度 。 光电二
极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪
声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的
热噪声 。 通常噪声用均方噪声电流描述 。
? 均方散粒噪声电流
? 均方热噪声电流
? 总均方噪声电流
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R
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T
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R
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? 响应时间 —— 光生电流脉冲前沿由最大幅度的
10%上升到 90％, 或由后沿的 90%下降到 10%的
时间定义为脉冲上升时间和脉冲下降 时间 。
脉冲响应时间为,
? 频率特性 —— 当光电二极管具有单一时间常数
时, 截止频率为,
? [结论 ]：减小耗尽层宽度可以减小渡越时间,
从而提高截止频率 。, 但会降低量子效率 。
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PIN光电检测器的一般性能
m??
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V/
Si-PIN InGaAs-PIN
波长响应
0.4～ 1.0
1～ 1,6
响应度
0.4 (0.85μm)
0.5（ 1.31μm）
暗电流
0.1～ 1
2～ 5
响应时间
2～ 10
0.2～ 1
结电容
0.5～ 1
1～ 2
工作电压 /V
－ 5～ － 15
－ 5～ － 15
三、雪崩光电检测器 APD
? APD的工作原理
? APD的结构
? APD的主要特性
? APD的一般性能
APD的工作原理
? APD是通过在其结构中构造一个强电场区，
当光入射到 PN结后，光子被吸收产生电
子 -空穴对，这些电子 -空穴对运动进入强
电场区后获得能量做高速运动，与原子
晶格产生碰撞电离出新的电子 -空穴对，
该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。
APD的结构
N +
P +
I（ P）
入射光
电极
抗反射膜
P
E
强电场区
低电场区
APD的主要特性
? 1） 倍增因子 g
—— 定义为 APD输出光电流 Io和一次光生电流 IP的
比值 。
? 2） 过剩噪声因子 F
—— 是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数
PI
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22 2 BgeII pq ?
APD的倍增因子
倍增因子 g —— 定义为 APD输出光电流 Io和一次
光生电流 IP的比值 。
PI
Ig 0?
过剩噪声因子 F
? 过剩噪声因子 F —— 是由于雪崩效应的随机性
引起噪声增加的倍数 。 设 （ x是附加噪
声指数 ）, 则 APD的均方量子噪声电流为
同理, APD的均方暗电流噪声电流为
附加噪声指数与器件所用材料和制造工艺有
关, Si-APD 的 x=0.3～ 0.5,Ge-APD的 x= 0.8～
1.0,InGaAs-APD的 x =0.5～ 0.7。
xgF ?
xpq BgeII ?? 22 2
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APD光电检测器的一般性能
m??
)( 1??WA?
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g
x
Si-APD InGaAs-APD
波长响应
0.4～ 1.0
1～ 1,65
响应度
0.5
0.5～ 0.7
暗电流
0.1～ 1
10～ 20
响应时间
0.2～ 0.5
0.1～ 0.3
结电容
1～ 2
＜ 0,5
工作电压
50～ 100
40～ 60
倍增因子
30～ 100
20～ 30
附加噪声指数
0.3～ 0.5
0.5～ 0.7
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