1、.第八章光電轉(zhuǎn)換器件第八章光電轉(zhuǎn)換器件第一節(jié)光電轉(zhuǎn)換基本原理第一節(jié)光電轉(zhuǎn)換基本原理. 光電二極管的物理工作原理I II Ip pR RL L輸輸出出負(fù)載電阻負(fù)載電阻偏置電壓偏置電壓光電二極管光電二極管圖2.1 外加反向偏置電壓的pin光電二極管的電路示意圖p pn ni iw. n n導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散p p帶隙帶隙E Eg g光子光子h h E Eg g擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散i i光生電子光生空穴耗盡區(qū)耗盡區(qū)w漂移漂移漂移漂移. 光功率光功率檢測(cè)電流檢測(cè)電流光脈沖光脈沖電脈沖電脈沖漂移漂移擴(kuò)散擴(kuò)散由光功率輸出轉(zhuǎn)換為電流輸出由光功率輸出轉(zhuǎn)換為電流輸出, ,有一時(shí)間延遲有一時(shí)間延遲, ,

2、其值主要決定了載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間其值主要決定了載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間 tr tr= =w/vs ( (漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)) )光電流存在擴(kuò)散分量光電流存在擴(kuò)散分量, ,它與耗盡區(qū)外的吸收有它與耗盡區(qū)外的吸收有關(guān)關(guān), ,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多, ,載流子作擴(kuò)散載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延檢測(cè)器后沿脈沖加長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的時(shí)延檢測(cè)器后沿脈沖加長(zhǎng), ,影響光電二極影響光電二極管的響應(yīng)速度。管的響應(yīng)速度。 增加增加w w，減小擴(kuò)散分量。減小擴(kuò)散分量。. （1 1）最普通的光電二極管是）最普通的光電二極管是pin光電二極管，如圖，如圖2.12.1示，它的示，它的p p型材料區(qū)型材料區(qū)

3、和和n n型材料區(qū)由輕微摻雜型材料區(qū)由輕微摻雜n n型材料的本型材料的本征（征（i i）區(qū)隔開。正常工作時(shí)，器件上）區(qū)隔開。正常工作時(shí)，器件上加上足夠大的反向偏置電壓，本征區(qū)加上足夠大的反向偏置電壓，本征區(qū)的載流子不會(huì)完全耗盡，即本征區(qū)固的載流子不會(huì)完全耗盡，即本征區(qū)固有的有的n n和和p p載流子的濃度非常小和摻雜載流子的濃度非常小和摻雜載流子相比可忽略。載流子相比可忽略。 . 當(dāng)一個(gè)入射光子能量大于或等于半導(dǎo)體的當(dāng)一個(gè)入射光子能量大于或等于半導(dǎo)體的帶隙能量時(shí)，將激勵(lì)價(jià)帶上的一個(gè)電子吸收光帶隙能量時(shí)，將激勵(lì)價(jià)帶上的一個(gè)電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，此過程產(chǎn)生自由的子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，

4、此過程產(chǎn)生自由的電子一空穴對(duì)，由于它們是因光而產(chǎn)生的電載電子一空穴對(duì)，由于它們是因光而產(chǎn)生的電載流子，故稱為光生載流子，如圖流子，故稱為光生載流子，如圖2.22.2所示。通常所示。通常光電二極管的設(shè)計(jì)使得大部分的入射光在耗盡光電二極管的設(shè)計(jì)使得大部分的入射光在耗盡區(qū)吸收，故大部分載流子也在此區(qū)域產(chǎn)生。耗區(qū)吸收，故大部分載流子也在此區(qū)域產(chǎn)生。耗盡區(qū)的高電場(chǎng)使電子一空穴對(duì)立即分開并在反盡區(qū)的高電場(chǎng)使電子一空穴對(duì)立即分開并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動(dòng)，然后在邊界處被向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動(dòng)，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。每個(gè)載流子收集，從而在外電路中形成電流。每個(gè)載流子對(duì)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)流

5、動(dòng)的電子，這種電流稱為光對(duì)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)流動(dòng)的電子，這種電流稱為光電流。電流。. 當(dāng)電載流子在材料中流動(dòng)時(shí)，一些電子當(dāng)電載流子在材料中流動(dòng)時(shí)，一些電子一空穴對(duì)會(huì)重新復(fù)合而消失一空穴對(duì)會(huì)重新復(fù)合而消失，此時(shí)電子和空穴，此時(shí)電子和空穴的平均移動(dòng)的距離分別為的平均移動(dòng)的距離分別為L(zhǎng) Ln n和和L Lp p，此距離稱為，此距離稱為擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度。 電子和空穴重新復(fù)合的時(shí)間稱為電子和空穴重新復(fù)合的時(shí)間稱為載流子載流子壽命壽命，分別記為，分別記為n n和和P P 。載流子壽命和擴(kuò)散。載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度的關(guān)系可表示為：長(zhǎng)度的關(guān)系可表示為：L Ln=n=（D Dn nn n）1/21/2 和和L Lp=p

6、=（D Dp pp p）1/21/2 （1 1） 其中其中D Dn n和和D Dp p分別是電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，分別是電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，其單位是其單位是cmcm2 2/s/s 。. 但但在半導(dǎo)體材料中，光功率的吸收呈指在半導(dǎo)體材料中，光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律，即：數(shù)規(guī)律，即： P（x）=P0（1-e- s()x） （2） 其中其中s() 是波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)，是波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)，s一般一般隨隨增加而減小；增加而減小；特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長(zhǎng)范特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。上限截止波長(zhǎng)取決于所用材料的帶隙圍內(nèi)。上限截止波長(zhǎng)取決于所用材料的帶隙Eg： （3）)()(24

7、.1meVEEhcggc. 對(duì)對(duì)sisi，c c=1.06=1.06mm；對(duì)；對(duì)G Ge e, , c c=1.06=1.06mm。如果波長(zhǎng)更長(zhǎng)，光子的能量就不足以激勵(lì)一如果波長(zhǎng)更長(zhǎng)，光子的能量就不足以激勵(lì)一個(gè)價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶中。個(gè)價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶中。請(qǐng)同學(xué)思考: :有一個(gè)光電二極管是由有一個(gè)光電二極管是由GaAsGaAs材料構(gòu)成的，在材料構(gòu)成的，在300300k k時(shí)其帶隙能量為時(shí)其帶隙能量為1.431.43evev，問它是否能用于，問它是否能用于13101310nmnm的系統(tǒng)中？的系統(tǒng)中？. 問題問題: : 是否波長(zhǎng)越短越好呢是否波長(zhǎng)越短越好呢? ? 在短波長(zhǎng)段，材料的吸收系數(shù)變得

8、很在短波長(zhǎng)段，材料的吸收系數(shù)變得很大，因此光子在接近光檢測(cè)器的表面就被大，因此光子在接近光檢測(cè)器的表面就被吸收，電子一空穴對(duì)的壽命極短，結(jié)果載吸收，電子一空穴對(duì)的壽命極短，結(jié)果載流子被光電檢測(cè)器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)流子被光電檢測(cè)器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。合了。 如果耗盡區(qū)寬度為如果耗盡區(qū)寬度為w w，據(jù)（，據(jù)（2 2）式，在）式，在距離距離w內(nèi)吸收功率為：內(nèi)吸收功率為： P（w）=P0（1-e-s()x) （4 4）Sw. 設(shè)光電二極管入射表面的反射系數(shù)為設(shè)光電二極管入射表面的反射系數(shù)為Rf，則，則從（從（4）式得到初級(jí)光電流）式得到初級(jí)光電流IP： （5） P0是入射光功率，是入射光功率，

9、q是電子電荷，是電子電荷，hv是光子是光子能量。能量。)1)(1 (0fwRePhvqIps. （I）量子效率和響應(yīng)度）量子效率和響應(yīng)度 光電二極管的兩個(gè)重要性參數(shù)是量子光電二極管的兩個(gè)重要性參數(shù)是量子效率和響應(yīng)速度，這些參數(shù)主要由器件材效率和響應(yīng)速度，這些參數(shù)主要由器件材料的帶隙能量料的帶隙能量E Eg g , ,工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng)，p p區(qū)，區(qū)，i i區(qū)區(qū)，n n區(qū)區(qū)的摻雜濃度和寬度所決定。的摻雜濃度和寬度所決定。量子效率量子效率表示每個(gè)能量為表示每個(gè)能量為hv的入射光子所的入射光子所產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)，由下式給出：產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)，由下式給出：hvPqIP/0入射的光子數(shù)產(chǎn)生的電子一

10、空穴對(duì)數(shù)(6)(6).在光電二極管的實(shí)際應(yīng)中，在光電二極管的實(shí)際應(yīng)中，100100個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生35359595個(gè)電子一空穴對(duì)，為個(gè)電子一空穴對(duì)，為30%30%95%95%。 為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使其可以吸收大部分的光子，區(qū)的厚度，使其可以吸收大部分的光子，但耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越但耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越（acrossacross）反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由）反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子的響應(yīng)速度，所以

11、必須在響應(yīng)速度和量子效率之間取一折衷。效率之間取一折衷。 wvt.對(duì)對(duì)SiSi和和GeGe等間接帶隙半導(dǎo)體材料，為確保等間接帶隙半導(dǎo)體材料，為確保 值，值，w的典型值在的典型值在2050m范圍，范圍， tr tr 200ps,響應(yīng)速度較響應(yīng)速度較慢。慢。對(duì)對(duì)InGaAsInGaAs等接帶隙半導(dǎo)體材料，等接帶隙半導(dǎo)體材料，w可減小至可減小至35m，若取漂移速度若取漂移速度vs =107cm/s, tr tr =3050ps。若定義帶寬為。若定義帶寬為f=(2 tr tr )-1, f=35GHz。最佳設(shè)計(jì)的最佳設(shè)計(jì)的PINPIN光電二極管，光電二極管，其其f=20GHz。w0.9m的光，的光，I

12、nP是透明的，而晶格匹配的是透明的，而晶格匹配的 InGaAs的帶的帶隙 約 為隙 約 為 0 . 7 5 e V 其 相 應(yīng) 的 截 止 波 長(zhǎng)其 相 應(yīng) 的 截 止 波 長(zhǎng)c c=1.65=1.65m ，因而在中間因而在中間InGaAs層，在層，在1.31.6 m內(nèi)有很強(qiáng)的吸收。內(nèi)有很強(qiáng)的吸收。 由于光子僅在耗盡區(qū)內(nèi)吸收，完全消除了由于光子僅在耗盡區(qū)內(nèi)吸收，完全消除了擴(kuò)散分量，采用幾微米厚的擴(kuò)散分量，采用幾微米厚的InGaAs，量子，量子效率可接近效率可接近100%，這種，這種InGaAs光電二極管光電二極管廣泛用于廣泛用于1.3和和1.5 m的光接收機(jī)中。的光接收機(jī)中。.光電二極管的性能

13、經(jīng)常使用光電二極管的性能經(jīng)常使用響應(yīng)度響應(yīng)度來表征。它和來表征。它和量子效率的關(guān)系為：量子效率的關(guān)系為： （7 7）它描述了單位光功率產(chǎn)生的光生電流的大小它描述了單位光功率產(chǎn)生的光生電流的大小。 隨波隨波長(zhǎng)及材料帶隙不同而不變長(zhǎng)及材料帶隙不同而不變。對(duì)給定材料與給定的波。對(duì)給定材料與給定的波長(zhǎng)，長(zhǎng)， 是常數(shù)；對(duì)于給定材料，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)越是常數(shù)；對(duì)于給定材料，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)越來越長(zhǎng)時(shí)，光子能量越來越小，當(dāng)這個(gè)能量不足以來越長(zhǎng)時(shí)，光子能量越來越小，當(dāng)這個(gè)能量不足以從價(jià)帶激發(fā)一個(gè)電子躍遷到導(dǎo)帶上的能量要求時(shí)，從價(jià)帶激發(fā)一個(gè)電子躍遷到導(dǎo)帶上的能量要求時(shí)，響應(yīng)度就會(huì)在截止波長(zhǎng)處迅速降低，如圖響應(yīng)度就會(huì)

14、在截止波長(zhǎng)處迅速降低，如圖6.36.3示。示。hvqPIp0. 響響應(yīng)應(yīng)度度波長(zhǎng)波長(zhǎng)( ( m ) )圖6.3 n種不同材料的pin光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線. 例：如圖例：如圖6.36.3示，波長(zhǎng)范圍為示，波長(zhǎng)范圍為13001300nm nm 1600 1/ 1/s s 的光電二極管對(duì)的光電二極管對(duì)矩形輸入脈沖的響應(yīng)，它的上升與下降時(shí)間與輸入矩形輸入脈沖的響應(yīng)，它的上升與下降時(shí)間與輸入脈沖較一致；如果光電二極管電容較大，那它的響脈沖較一致；如果光電二極管電容較大，那它的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)受應(yīng)時(shí)間就會(huì)受R RL L和和R Rc c時(shí)間常數(shù)所限制，其脈沖響應(yīng)時(shí)間常數(shù)所限制，其脈沖響應(yīng)

15、如圖如圖5.45.4（c c）; ;如耗盡區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產(chǎn)如耗盡區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產(chǎn)生的任何載流子在被吸收以前不得不擴(kuò)散到耗盡區(qū)生的任何載流子在被吸收以前不得不擴(kuò)散到耗盡區(qū)，所以窄耗盡區(qū)的器件會(huì)有明顯不同的慢速和快速，所以窄耗盡區(qū)的器件會(huì)有明顯不同的慢速和快速響應(yīng)分量，如圖響應(yīng)分量，如圖5.45.4（d d）。）。. 圖圖5.4 在不同的檢測(cè)器參數(shù)條件下，在不同的檢測(cè)器參數(shù)條件下，光電二極管的脈沖響應(yīng)光電二極管的脈沖響應(yīng) . 請(qǐng)同學(xué)思考：請(qǐng)同學(xué)思考：上升時(shí)間的快速分量起源于？（耗盡上升時(shí)間的快速分量起源于？（耗盡區(qū)產(chǎn)生的載流子）；而慢速分量則源于？（耗盡區(qū)區(qū)產(chǎn)生的載流子）；而慢

16、速分量則源于？（耗盡區(qū)邊界邊界L Ln n處的載流子的擴(kuò)散）處的載流子的擴(kuò)散）在光脈沖的后沿，耗盡區(qū)的光脈沖吸收很快，在光脈沖的后沿，耗盡區(qū)的光脈沖吸收很快，所以在下降時(shí)間里產(chǎn)生了快速分量，而在非耗所以在下降時(shí)間里產(chǎn)生了快速分量，而在非耗盡區(qū)載流子的擴(kuò)散造成了脈沖后沿的一個(gè)很慢盡區(qū)載流子的擴(kuò)散造成了脈沖后沿的一個(gè)很慢的延遲拖尾。的延遲拖尾。結(jié)電容結(jié)電容Cj： (26)wAcsjs：半導(dǎo)體材料介電常數(shù)；：半導(dǎo)體材料介電常數(shù)； A=擴(kuò)散層面積。擴(kuò)散層面積。 . 設(shè)設(shè)R RT T是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻的組合，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻的組合，C CT T是光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，是

17、光電二極管結(jié)電容和放大器輸入電容之和，如前面圖如前面圖6.56.5示，則示，則此檢測(cè)器可近似為一個(gè)此檢測(cè)器可近似為一個(gè)R RC C低通濾波器，其帶寬為低通濾波器，其帶寬為TTCRB21. InGaAs APD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（1）為改善）為改善InGaAs APD結(jié)構(gòu)，采用了多種多樣復(fù)結(jié)構(gòu)，采用了多種多樣復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，其中一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)就是吸收雜的器件結(jié)構(gòu)，其中一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)就是吸收和倍增分離（和倍增分離（SAM，separateabsorptionandmultiplication）的）的APD，如圖，如圖6.8示，這種結(jié)構(gòu)在吸示，這種結(jié)構(gòu)在吸收區(qū)和倍增區(qū)使用了不同的材料，每個(gè)區(qū)為了一個(gè)收

18、區(qū)和倍增區(qū)使用了不同的材料，每個(gè)區(qū)為了一個(gè)特殊的功能進(jìn)行了最佳化的設(shè)計(jì)。光從特殊的功能進(jìn)行了最佳化的設(shè)計(jì)。光從InP襯底進(jìn)襯底進(jìn)入入APD，由于這種材料的帶隙能量較大，使長(zhǎng)波長(zhǎng)，由于這種材料的帶隙能量較大，使長(zhǎng)波長(zhǎng)的光透射過去而進(jìn)入的光透射過去而進(jìn)入InGaAs吸收區(qū)，并產(chǎn)生電子一吸收區(qū)，并產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。倍增區(qū)空穴對(duì)。倍增區(qū)InP層中有很高的電場(chǎng)但沒有隧道層中有很高的電場(chǎng)但沒有隧道擊穿。擊穿。mm. mmInPInP襯底襯底InPInP緩沖層緩沖層InGaAsInGaAs吸收層吸收層InPInP倍增層倍增層光輸入光輸入金屬電極金屬電極金屬電極金屬電極圖圖6.86.8 SAM APD SAM

19、 APD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單圖（各層未按實(shí)際比例）（各層未按實(shí)際比例） . SAM結(jié)構(gòu)的其它形式包括對(duì)器件結(jié)構(gòu)的其它形式包括對(duì)器件增加一些其它的層區(qū)：增加一些其它的層區(qū)：在吸收層和倍增層之間加入一在吸收層和倍增層之間加入一個(gè)漸變層來加快響應(yīng)時(shí)間，增大器個(gè)漸變層來加快響應(yīng)時(shí)間，增大器件帶寬；件帶寬；增加一個(gè)電荷層，以便更好地增加一個(gè)電荷層，以便更好地控制電場(chǎng)分布；控制電場(chǎng)分布；加入一個(gè)諧振腔，去除耦合，加入一個(gè)諧振腔，去除耦合，提高量子效率和增大帶寬。提高量子效率和增大帶寬。. （2）超晶格結(jié)構(gòu)）超晶格結(jié)構(gòu) 倍增區(qū)大約為倍增區(qū)大約為250nm厚，比如由厚，比如由13層層9nm厚的厚的InAlGaA

20、s量子阱和量子阱和12層層12nm厚的厚的InGaAs墊壘交墊壘交錯(cuò)而成，此結(jié)構(gòu)提高了錯(cuò)而成，此結(jié)構(gòu)提高了InGaAs APD的響應(yīng)速度的響應(yīng)速度和靈敏度，可用在和靈敏度，可用在10Gb/s的長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中。的長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中。 . 圖5.5 通過光數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào)路徑光接收機(jī)光接收機(jī)數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字信號(hào)傳輸. 傳輸信號(hào)是一個(gè)兩電平的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，在持續(xù)傳輸信號(hào)是一個(gè)兩電平的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，在持續(xù)時(shí)間為時(shí)間為Tb的時(shí)隙內(nèi)不是的時(shí)隙內(nèi)不是0就是就是1，這個(gè)時(shí)隙稱為一個(gè)比，這個(gè)時(shí)隙稱為一個(gè)比特周期。特周期。 在電域中，對(duì)于給定的數(shù)字信息有許多種發(fā)送方在電域中，對(duì)于給定的數(shù)字信息有許多種發(fā)送方法，其中

21、一種最簡(jiǎn)單發(fā)送二進(jìn)制碼的方法是幅移鍵法，其中一種最簡(jiǎn)單發(fā)送二進(jìn)制碼的方法是幅移鍵控，即對(duì)一個(gè)二值電壓進(jìn)行開或關(guān)的切換，所得到控，即對(duì)一個(gè)二值電壓進(jìn)行開或關(guān)的切換，所得到的信號(hào)波形由兩個(gè)幅度分別為的信號(hào)波形由兩個(gè)幅度分別為V和和0的電壓脈沖組成的電壓脈沖組成，幅度為，幅度為V的電壓脈沖對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制碼中的信號(hào)的電壓脈沖對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制碼中的信號(hào)1，后者對(duì)應(yīng)于信號(hào)后者對(duì)應(yīng)于信號(hào)0，為簡(jiǎn)單起見，設(shè)發(fā)送一個(gè)，為簡(jiǎn)單起見，設(shè)發(fā)送一個(gè)1碼時(shí)碼時(shí)，有一個(gè)持續(xù)時(shí)間為，有一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Tb的電壓脈沖；對(duì)應(yīng)于的電壓脈沖；對(duì)應(yīng)于0碼，電碼，電壓保持在零值。壓保持在零值。mm. 光發(fā)送機(jī)的功能是把一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換一個(gè)光信光發(fā)

22、送機(jī)的功能是把一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換一個(gè)光信號(hào)，電流號(hào)，電流i(t)可用來直接調(diào)制光源以產(chǎn)生光輸出功率可用來直接調(diào)制光源以產(chǎn)生光輸出功率P（t）；光發(fā)送機(jī)產(chǎn)生光信號(hào)時(shí)，持續(xù)時(shí)間為；光發(fā)送機(jī)產(chǎn)生光信號(hào)時(shí)，持續(xù)時(shí)間為Tb的光的光能量脈沖代表能量脈沖代表1碼，沒有光發(fā)出時(shí)代表碼，沒有光發(fā)出時(shí)代表0碼。碼。從光源耦合到光纖的光信號(hào)沿光纖玻璃傳輸時(shí)發(fā)生從光源耦合到光纖的光信號(hào)沿光纖玻璃傳輸時(shí)發(fā)生衰減和失真，到達(dá)接收機(jī)時(shí)，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)衰減和失真，到達(dá)接收機(jī)時(shí)，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大和濾波以后，判決電路把每個(gè)時(shí)隙的信，再經(jīng)放大和濾波以后，判決電路把每個(gè)時(shí)隙的信號(hào)值和一個(gè)特定的參考電壓或閾值電壓進(jìn)行比較，

23、號(hào)值和一個(gè)特定的參考電壓或閾值電壓進(jìn)行比較，如果接收信號(hào)值大于閾值，則判定接收到一個(gè)如果接收信號(hào)值大于閾值，則判定接收到一個(gè)1碼，碼，如小于閾值，則判定為如小于閾值，則判定為0碼。碼。m.光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件電信號(hào)的器件。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件 第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件 第四節(jié)第四節(jié) 新型新型光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件 第五節(jié)第五節(jié) 光敏傳

24、感器的應(yīng)用舉例光敏傳感器的應(yīng)用舉例.三、光電效應(yīng)三、光電效應(yīng) 是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換器件的工作原理能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換器件的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類應(yīng)兩大類1 1、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng) 在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光

25、電倍電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。增管等。光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=hh普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（光的頻率（s-1）.根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始

26、照射至金多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過屬釋放電子所需時(shí)間不超過10- -9s。根據(jù)能量守恒定理根據(jù)能量守恒定理 式中式中 m m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v v0 0電子逸出速度。電子逸出速度。 02021Amh該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。.n光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功大于該物體的表面電子逸出功A A0 0。不同的物質(zhì)不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線應(yīng)的光頻

27、閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。電子射出。.n當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。逸出的電子數(shù)也就越多。n光

28、電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02 /2 ，因此，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。率成正比。. 當(dāng)光照射在物體上，使物體的當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率電阻率發(fā)生發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)

29、光電效應(yīng)分為同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效光生伏特效應(yīng)應(yīng)兩類：兩類： （1） 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光電器件有光敏電阻光敏電阻。2 2、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng).過程：過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊

30、，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶禁帶禁帶自由電子所占能帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg. 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限0，只，只有波長(zhǎng)小于有波長(zhǎng)小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)生電子能級(jí)間

31、的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。率增加。 式中式中、分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。 Eg24. 1hch為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度材料的禁帶寬度Eg，即，即. 圖2 光電導(dǎo)元件工作示意圖光導(dǎo)元件URL電極電極入射光 圖圖2 2為光電導(dǎo)為光電導(dǎo)元件工作示意圖。元件工作示意圖。圖中光電導(dǎo)元件與圖中光電導(dǎo)元件與偏置電源及負(fù)載電偏置電源及負(fù)載電阻阻RLRL串聯(lián)。當(dāng)光電串聯(lián)。當(dāng)光電導(dǎo)元件在一定強(qiáng)度導(dǎo)元件在一定強(qiáng)度的光的連續(xù)照射下的光的連續(xù)照射下, ,元件達(dá)到平衡狀態(tài)元件達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)時(shí), ,輸出的短

32、路電輸出的短路電流密度為流密度為. （2 2） 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。三極管。 勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。 在接觸的半導(dǎo)體和在接觸的半導(dǎo)體和PNPN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。 以以PN結(jié)為例，光線照射結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大結(jié)時(shí)，設(shè)光子

33、能量大于禁帶寬度于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，區(qū)外側(cè)，從而使從而使P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。 .側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)當(dāng)光照部分吸收入射光子

34、的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。基于該效應(yīng)的光電器件如半光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（導(dǎo)體光

35、電位置敏感器件（PSD）。）。. 包含光包含光- -熱、熱熱、熱- -電電, ,兩個(gè)階段的信息變換過程兩個(gè)階段的信息變換過程。光。光- -熱熱階段是物質(zhì)吸收了光以后溫度升高階段是物質(zhì)吸收了光以后溫度升高, ,熱熱- -電階段是利用某種電階段是利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。熱釋電效應(yīng)就是這種效應(yīng)之一。效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。熱釋電效應(yīng)就是這種效應(yīng)之一。 熱釋電材料有晶體、陶瓷和塑料等。使用最早的是熱熱釋電材料有晶體、陶瓷和塑料等。使用最早的是熱釋電晶體。熱釋電晶體在自然條件下能夠自發(fā)極化釋電晶體。熱釋電晶體在自然條件下能夠自發(fā)極化, ,形成形成固有的偶極矩固有的偶極矩, ,在垂直晶體極軸的兩個(gè)端面

36、上具有大小相在垂直晶體極軸的兩個(gè)端面上具有大小相等、符號(hào)相反的束縛電荷。如果垂直晶體極軸的兩個(gè)端面等、符號(hào)相反的束縛電荷。如果垂直晶體極軸的兩個(gè)端面上鍍有金屬電極上鍍有金屬電極, ,則在電極上會(huì)感生與束縛電荷大小相等則在電極上會(huì)感生與束縛電荷大小相等的自由電荷。的自由電荷。 利用熱釋電效應(yīng)可制成紅外探測(cè)器、溫度傳感器、熱利用熱釋電效應(yīng)可制成紅外探測(cè)器、溫度傳感器、熱成像器件等。成像器件等。（3） 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng). 光在半導(dǎo)體材料中傳播光在半導(dǎo)體材料中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減, ,即產(chǎn)生光吸收。即產(chǎn)生光吸收。半導(dǎo)體材料通常能強(qiáng)烈地吸半導(dǎo)體材料通常能強(qiáng)烈地吸收光能收光能, ,對(duì)光的吸收作用常用對(duì)光的吸收作用常用吸收系數(shù)來描述。光的吸收吸