与PIN光检测器比较起来,光电流在器件内部就得到了放大,从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子, 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流M与未倍增时的初始光电流的比值 M= (4.1.4) 式中,M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关,电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子一空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的,分 别α用α和表示,它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关,记为 式中,kA为电离系数,它是光检测器性能的一种度量对M的影响可由下式给出,即 (4.1.6) 当a=0时,仅有电子参与雪崩过程,M=e4增益随w指数增长;当=lk射,由式 (4.1.6)可得,出现雪崩击穿。通常,M值的范围在10~500之间 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大,考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系,常用经验公式描述它们的关系,即 1-(V/g (4.1.7) 式中,n是与温度有关的特性指数,n=2.5~7;VB是雪崩击穿电压,对于不同的半 导体材料,该值从70~200V不等;V为反向偏置电压,一般取其为vB的80%~90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压,以免损坏器件
与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子， 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 （4.1.4） 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分 别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 （4.1.5） 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对M的影响可由下式给出，即 （4.1.6） 当 时，仅有电子参与雪崩过程， ， 增益随w指数增长；当 且 时，由式 （4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 （4.1.7） 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半 导体材料，该值从70～200V不等；V为反向偏置电压，一般取其为VBR的80%～90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。 n BR 1 (V / V ) 1 M − = e h e h A k = A k A (1 ) A A e e 1 k k M k w − − = − − h = 0 w M e e = ew =1 kA →1 P M I I M =
42光检测器的特性参数421光检测器性能参数 1.量子效率 入射光(功率为Pn)中含有大量光子,能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之 比称为量子效率,它的计算由下式给出,即 P/hv (42.1) 式中,q为电子电荷(1.6×10-19C);为产生的光电流;h为普朗克常数;v为光子的 频率。量子效率的范围在50%~90%之间。 2.响应度 光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度,有 (4.2.2) 响应度的单位是AW。该特性表明光检测器将光信号转换为电信号的效率。R的典型值 范围是0.5~1.0AW。例如,Si光检测器在波长为900nm时,R值是0.65AW;Ge光检测 器的R值是0.45AW(1300nm时); Ingaas在波长为1300nm和1550nm时,响应度分别 是09A/W和10AW。 对于给定的波长,响应度是一个常数,但是当考虑的波长范围较大时,它就不是常数了 随着入射光波长的增加,入射光子的能量越来越小,如果小于禁带宽度时,响应度会在 截止波长处迅速下降。 响应度与量子效率的关系为 (42.3) 考虑到APD光检测器的雪崩效应,它的响应度可表示为 RAPD=M9=MRPIN (4.2.4) APD光检测器的响应度在0.75~130之间
4.2 光检测器的特性参数 4.2.1 光检测器性能参数 1．量子效率 入射光（功率为Pin）中含有大量光子，能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之 比称为量子效率，它的计算由下式给出，即 （4.2.1） 式中，q为电子电荷（1.6×10－19C）；IP为产生的光电流；h为普朗克常数；v为光子的 频率。量子效率的范围在50%～90%之间。 2．响应度 光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度，有 （4.2.2） 响应度的单位是A/W。该特性表明光检测器将光信号转换为电信号的效率。R的典型值 范围是0.5~1.0A/W。例如，Si光检测器在波长为900nm时，R值是0.65 A/W；Ge光检测 器的R值是0.45 A/W（1300 nm时）；InGaAs在波长为1300nm和1550nm时，响应度分别 是0.9 A/W和1.0 A/W。 对于给定的波长，响应度是一个常数，但是当考虑的波长范围较大时，它就不是常数了。 随着入射光波长的增加，入射光子的能量越来越小，如果小于禁带宽度时，响应度会在 截止波长处迅速下降。 响应度与量子效率的关系为 （4.2.3） 考虑到APD光检测器的雪崩效应，它的响应度可表示为 （4.2.4） APD光检测器的响应度在0.75～130之间。 P h I q / / in P = in P P I R = h q R = AP D MRP IN h Mq R = =
3.响应光谱 为了产生光生载流子,入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度,即满足条件 hv>E (42.5) 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长见表4.1 表4.1常用半导体材料的禁带宽度和对应波长 半导体材料 禁带宽度EeV 波长/m 1067 半导体材料禁带宽度E/e波长/m Ge 0.775 1610 GaAs 1424 876 InP 1.3 924 AlGaAs 1.42~192 879~650 In gaas 0.75~1.24 1664~1006 IngaAs 0.75~1.35 1664~924
3．响应光谱 为了产生光生载流子，入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度，即满足条件 （4.2.5） 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长见表4.1。 表4.1 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长 h Eg 半导体材料 禁带宽度Eg /eV 波长 /nm Si 1.17 1067 半导体材料 禁带宽度Eg /eV 波长 /nm Ge 0.775 1610 GaAs 1.424 876 InP 1.35 924 AlGaAs 1.42~1.92 879~650 InGaAs 0.75~1.24 1664~1006 InGaAs 0.75~1.35 1664~924
電子工業出版礻 式(4.2.5)也可以表示成 4.2.6) 式中,λ称为截止波长。也就是说,对确定的半导体检测材料,只有波长小于截止波 长的光才能被检测到,并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化,这种特性被 称做响应光谱。所以光检测器不具有通用性,各种材料的响应光谱不同。常用的光 电半导体材料有Si,Ge, IngaAs, IngaAsP, GaAsP等,图4.2.1示出了几种材料的响 应光谱 Ingaa 量子效率/% 80 40 0.40.60.81.01.2141.61.8 波长/ 图42.1半导体材料的响应光谱
式（4.2.5）也可以表示成 （4.2.6） 式中，c称为截止波长。也就是说，对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波 长的光才能被检测到，并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性被 称做响应光谱。所以光检测器不具有通用性，各种材料的响应光谱不同。常用的光 电半导体材料有Si，Ge，InGaAs，InGaAsP，GaAsP等，图4.2.1示出了几种材料的响 应光谱。 图4.2.1 半导体材料的响应光谱 c g = E hc
社 4.响应时间 响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。如前所述, 它主要受以下三个因素的影响:①耗尽区的光载流子的渡越时间;②耗尽区外产生 的光载流子的扩散时间;③光电二极管及与其相关的电路的RC时间常数 响应时间可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。当光电二极管的 结电容比较小时,上升时间和下降时间较短且比较一致;当光电二极管的结电容比 较大时,响应时间会受到负载电阻与结电容所构成的RC时间常数的限制,上升时间 和下降时间都较长。 般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间,对于PIN管而言,通常上升时间 t1<1ns;对于APD管而言,该值小于0.5ns 光检测器的带宽与上升时间成反比,它们的关系可表示为 0.35 (42.7) r 5.暗电流 暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。虽然没有入射光,但是在一定温度下 外部的热能可以在耗尽区内产生一些自由电荷,这些电荷在反向偏置电压的作用 流动,形成了暗电流。显然,温度越高,受温度激发的电子数量越多,暗电流越大 对于PIN管,设温度为7时的暗电流为(71),当温度上升到72时则有 4(72)=l(T1)2(2-c (4.2.8) 式中,C是经验常数,Si光电二极管的C值为8 暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率,也就是光电二极管的灵敏度 根据所选用半导体材料的不同,暗电流的变化范围在0.1~500nA之间
4．响应时间 响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。如前所述， 它主要受以下三个因素的影响：①耗尽区的光载流子的渡越时间；②耗尽区外产生 的光载流子的扩散时间；③ 光电二极管及与其相关的电路的RC时间常数。 响应时间可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。当光电二极管的 结电容比较小时，上升时间和下降时间较短且比较一致；当光电二极管的结电容比 较大时，响应时间会受到负载电阻与结电容所构成的RC时间常数的限制，上升时间 和下降时间都较长。 一般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间，对于PIN管而言，通常上升时间 tr <1ns；对于APD管而言，该值小于0.5 ns。 光检测器的带宽与上升时间成反比，它们的关系可表示为 （4.2.7） 5．暗电流 暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。虽然没有入射光，但是在一定温度下， 外部的热能可以在耗尽区内产生一些自由电荷，这些电荷在反向偏置电压的作用下 流动，形成了暗电流。显然，温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。 对于PIN管，设温度为T1时的暗电流为Id (T1 )，当温度上升到T2时则有 （4.2.8） 式中，C是经验常数，Si光电二极管的C值为8。 暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率，也就是光电二极管的灵敏度。 根据所选用半导体材料的不同，暗电流的变化范围在0.1～500 nA之间。 r 0.35 t B = T T C I T I T ( )/ d 2 d 1 2 1 ( ) ( ) 2 − =