半导体光检测器

最简单的光电检测器的结构如图（1-a）所示，为一P-N结。在P-N结间由于载流子的扩散作用形成宽为W的耗尽层，并产生图示方向的内建电场。如将P-N结部连接，由于耗尽层内缺乏载流子，外电路中无电流。这时用适当波长的光去照射，则在外电路中产生相应的电流—光生电流。图（1-b）表示P-N结的能带图，在光照射下价带Ev中的电子吸收光子跃迁到导带民，在价带留下了空穴（这种在光作用下产生的载流子叫光生载流子）。它们在耗尽层内在内建电场作用下作漂移运动；在耗尽区外先靠扩散作用进入耗尽层，再做漂移运动，这样就在外电路中形成反向电流，即光生电流。这种由于光的照射而产生电流的效应叫光电效应。另有在耗尽层中产生的光生载流子才能有效地形成光生电流，因而为提高光电转换的效率，需使耗尽层加宽。光电二极管加反向偏压工作，就是为此目的。

PIN光电二极管是在P层和N层之间加了较宽的近于本征半导体的轻掺杂I层，在反向偏压作用下，其中载流子被扫清，使其耗尽层大大加宽，因而其光电转换效率比P-N结光电二极管大为提高。

APD光电二极管，即雪崩光电二极管是有增益的光电器件，其增益由雪崩倍增效应产生。APD管工作时反偏压很高，光生载流子在耗尽层的高电场区获得很大的动能，产生雪崩式碰撞，使光电流获得了雪崩倍增。

特性 ①响应度R和量子效率η：响应度R，表明将光功率转换为电流的能力，是波长λ的函数：R(λ) ≡I/P，P为输入的光功率，I为输出的光电流；量子效率η的含意为平均每个光子所能激发的载流子数，η(λ) ≡，式中e为电子电荷，hγ为入射光子能量。R和η之间的关系为，式中M为APD的倍增因子。对无倍增器件M=l；②光谱响应：是R（λ）随入射光波长变化的特性，R（λ）降到峰值一半对应的波长，长波侧称长波限（取决于材料的带隙），短波侧称短波限（取决于吸收系数的陡增）；③噪声等效功率：NEP≡P/()，式中S为有用信号电流，N为噪声电流，△f为接收机带宽，④暗电流：无光照时，器件在工作点的电流。它是直流噪声的主要来源，它包括扩散电流，耗尽层的复合电流，隧道电流及表面漏电流；⑤脉冲响应时间：指对瞬变光信号的响应能力，包括脉冲上升时间τr和脉冲下降时间τf。如果检测器的响应速度跟不上光信号的变化，输出的光电流将随着调制频率的提高而减小。其它还有伏安特性、温度特性及退化特性等。

在0.8～0.9μm波段，硅APD已具有接近理想的性能。在1.3～1.55μm波段，使用的三种光检测器的比较见表所列。这些器件的性能都尚未达到完善的地步。大于1.6μm波段，可使用AlGaSb（铝镓锑）/GaSb（镓锑化物），HgCdTe/CdTe的光检测器。

1.3μm、1.55μm波段三种光纤通信用光检测器比较表

利用半导体P-N结的内光电效应把光信号转变为电信号的光器件。光纤通信用的半导体光检测器有半导体光电二极管（P-N结或PIN）和半导体雪崩光电二极管（APD）；光电子集成中也用肖特基势垒或光晶体管。它们都具有体积小、灵敏度高、响应速度快和噪声较低等优点。

光检测器包括：光电倍增管、热电探测器、光电二极管

常见的半导体光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。

光纤通信系统要求光检测器：

（1） 灵敏度高：灵敏度高表示检测器把光功率转变为电流的效率高。在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。

（2） 响应速度快：指射入光信号后，马上就有电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出，不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。

（3） 噪声小：为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。但是对于光电检测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条件下工作，又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信号噪声比降低，影响重现原来的信号。

（4） 稳定可靠：要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响，以提高系统的稳定性和可靠性。