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常用光检测器的分类及特性分析
摘要：光电检测技术是光电技术的重要组成部分，是对光量及大量非光物理量进行测量的重要手段。在光纤传感及光纤通讯系统中，光电检测器是光接收机实现光--电转换的关键器件，它的灵敏度、带宽等特性参数直接影响系统的总体性能。
关键词：光电检测，灵敏度，光纤传感，光纤通讯
Classification and analysis of The application of opto-electronic detector
Abstract: Opto-electronic detection technology is not only an important component of the photoelectricity technology,but also an important method of measuring the light flux and a large number of non-opticalphysical parameter.In the optical fiber sensor and optical fiber communication system the Opto-electronic detector is a keycomponent of optical receiver to implement optical electrical conversion,which sensitivity,bandwidth and other parameters directly affect the overall optical transmission performance of transfer systems.
Keywords:opto-electronic detection; sensitivity; optical fiber sensor; optical fiber communication
0 引言
随着光纤通讯信息量的增大，对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。本文主要介绍光电检测器原理、性能和分类。
1 光探测原理
光检测过程的基本机理是受激光吸收。假如入射光子的能量超过禁带能量，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收，如图1所示。结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴通过对电场的作用，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。光生电流与产生的电子空穴对和这些载流子运动的速度有关。也就是说直接与入射光功率成正比，即
（1）
式中R是光电检测响应度（用A/W表示）。由此式可以得到
（2）
响应度R可用量子效率表示，其定义是产生的电子数与入射光子数之比，即
（3）
式中焦耳，是电子电荷；焦耳`秒，是普朗克常量；是入射光频率。由此式可以得到响应度
（4）
式中λ=c/υ是入射光波长，用μm表示，c=3×10m/s是真空中的光速。上式表示光电检测器响应度随波长而增加，这是因为光子能量hν减小时可以产生与减少的能量相等的电流。R和λ的这种线性关系不能一直保持下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。当光子能量变得比禁带能量小时，无论入射光多强，光电效应也不会发生，此时量子效率下降到零，也就是说，光电效应必须满足条件
或者 （5）

图1 PN结光电检测原理说明
2 光电检测器的设计要求
为了满足应用的需求光电检测器设计时应满足：①能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换；②足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流；③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；④有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；⑤具有较小的体积、较长的工作寿命等。
3 数字光通讯中常用的三种光检测器
由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PN Photodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。
目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。其中，PIN光电二极管响应频率高，可高达10GHZ，响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。雪崩二极管灵敏度高，响应快，但雪崩二极管需要上百伏的工作电压，而且性能和入射光功率有关，当入射光功率大时，增益引起的噪声大，带来电流失真。
另外，70年代末还出现了MSM（金属-半导体-金属）光检测器。
3.1 PIN光电二极管
PIN光电二极管(PINPD)的结构如图2所示。

图2 PIN光电二极管的结构和实物图
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，约有5~50μm可吸收绝大多数光子，这样可以提高其响应速度和转换效率。如图3（a）所示，这也是PIN二极管与PN二极管的主要区别。PIN二极管实物如图3（b）所示。

图3 PIN光电二极管的能带图和结构示意图
如图4所示，PIN光电二极管的能带简图，能量大于或等于带隙能量的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子-空穴对（称为光生载流子）。耗尽区的高电场使得电子-空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被吸收，从而在外电路中形成电流，完成光检测的过程。

图4 PIN光电二极管的能带简图
PIN型光电二极管的主要参数，①开关时间：由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需要一个过程，这个过程所需时间；②隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度；③插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗；④承受功率：在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率；⑤电压驻波系数：仅反映端口输入，输出匹配情况；⑥谐波：PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰；⑦开关分类：反射式和吸收式，吸收式开关的性能较反射式开关优良；⑧控制方式：采用TTL信号控制，‘1’通‘0’断。
PIN型光电二极管的典型应用：①光电探测器；②射频信号的转换（开关）；③射频信号的衰减器和调制器；④射频相移器的选择开关；⑤射频限幅器；⑥大功率整流器。
3.2 APD雪崩光电二极管
APD雪崩光电二极管的设计动机：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度。APD可以对初级光电流进行内部放大，以增加接收机的灵敏度。由于要实现电流放大作用，光生载流子需要穿过很高的电场，以获得很高的能量。光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应激发出新的电子-空穴对，新产生的载流子通过电场加速，导致更多的碰撞电离产生，从而获得光生电流的雪崩倍增。APD的结构和实物图如图5所示。

图5 APD的结构和实物图
保护环型APD（Guard ring APD）在制作时先淀积一层环形N型材料，然后高温推进形成一个深的圆形保护环，是保护环和P区之间形成浓度缓慢变化的梯度接面，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。GAPD具有很高的灵敏度，但是其雪崩增益与负向偏压之间的非线性关系很显著。要想得到足够大的增益，就必须使GAPD在接近击穿电压的情况之下，但是击穿电压对温度的变化又十分敏感。因此，为使GAPD在环境温度变化的时候也能保持稳定的增益。就要设法控制GAPD的负向偏压，拉通型雪APD ( Reach-through APD )也就是为此目的而设计的。
RAPD其结构示意图和电场分布如图6所示。图6（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图6（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图6（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。

图6 RAPD的结构图和能带示意图
APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。
3.3 MSM光检测器
MSM是70年代末出现的一种高速光检测器，是在硅材料上直接沉积叉指状金属电极，金属电极与硅材料形成肖特基势垒接触。当适当波长的光入射时，硅材料价带电子吸收光子能量而跃迁到导带上去，在导带和价带之间产生电子-空穴对。外加偏压下，光生电子-空穴对在叉指电极之间电场作用下经过漂移或扩散等运动被叉指电极俘获，形成光生电流。MSM光检测器的分布电容小，暗电流低，在结构和制造工艺方面与金属半导体场效应晶体管（MESFET），高电子迁移率晶体管（HEMT），异质结双极型晶体管（HBT）等晶体管兼容。MSM的响应速度可高达100GHz，已广泛应用与各种高速光探测系统中。
4 结语
光检测器的发展与光通讯的发展息息相关，本文对几种光检测器的性能、基本原理、优缺点作了简要的阐述，对数字光通讯中光检测器件的选择有一定指导意义。
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