常用光檢測器的分類及特性分析

邢海峰

摘 要：光電檢測技術是光電技術的重要組成部分，是對光量及大量非光物理量進行測量的重要手段。在光纖傳感及光纖通訊系統中，光電檢測器是光接收機實現光——電轉換的關鍵器件，它的靈敏度、帶寬等特性參數直接影響系統的總體性能。

關鍵詞：光電檢測 靈敏度 光纖傳感 光纖通訊

中圖分類號：O359 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0099-02

隨著光纖通訊信息量的增大，人們對光電檢測器的要求也越來越高，主要要求其具有高的可靠性和靈敏度，以及低成本，同時要求光電檢測器的光敏面應與光纖芯徑匹配。光電檢測器一般使用半導體材料制成。該文介紹了光檢測原理，并分析了光電檢測器的設計要求和常見分類。

1 光檢測原理

所謂光檢測過程，也就是受激光吸收的過程。如圖1所示，假如入射光子的能量超過禁帶能量，只有幾微米寬的耗盡區每次吸收一個光子，將產生一個電子空穴對，發生受激吸收。結施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子—空穴通過對電場的作用，分別離開耗盡區，電子向N區漂移，空穴向P區漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則離開N區進入正電極。從而在外電路形成光生電流。當入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉變成電流信號。光生電流與產生的電子空穴對和這些載流子運動的速度有關。也就是說直接與入射光功率成正比[1]，即 （1）

在公式（1）中，R表示光電檢測響應度（用A/W表示）。由此式可以得到

在公式（4）中，λ=c/υ是指入射光波長，用μm表示，c=3×10m/s是真空中的光速。上式表示光電檢測器響應度隨波長而增加，這是因為光子能量hν減小時可以產生與減少的能量相等的電流。R和λ的這種線性關系不能一直保持下去，因為光子能量太小時將不能產生電子。當光子能量變得比禁帶能量小時，無論入射光多強，光電效應也不會發生，此時量子效率下降到零，也就是說，光電效應必須滿足條件。

2 光電檢測器的設計要求

為了滿足應用的需求光電檢測器設計時應滿足：（1）能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉換；（2）靈敏的響應度，要求在有入射功率進入時，能輸出足夠大的光電流；（3）要求光電檢測器件的噪聲低，這樣避免了其本身對檢測輸出信號的影響；（4）具備良好的線性關系，以保證在信號轉換的過程中數據的準確性；（5）要求其低成本及耐用，具有較長的工作壽命等。

3 數字光通訊中常用的三種光檢測器

當前，在數字光通訊中常用的光電檢測器主要有三種：PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管和MSM（金屬-半導體-金屬）光檢測器。

（1）PIN光電二極管

PIN光電二極管的特點主要是工作性能穩定，所要求的供電電壓低，但其響應頻率高，可高達10 GHz，同時響應速度快，因此被廣泛使用。在使用材料上，由于PIN光電二極管在P型、N型半導體之間的I層，使用了輕摻雜的N型材料，這樣一來，其電子濃度相對來說很低，這樣經過擴散后便會形成一個很寬的耗盡層，約有5～50 μm可吸收絕大多數光子，因此，大大地提高了PIN光電二極管的轉換效率和響應速度。

圖2為PIN光電二極管的能帶簡圖，在圖2中，自由電子—空穴對（稱為光生載流子）主要通過能量大于或等于帶隙能量的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導帶上來產生。在耗盡區的高電場使得電子—空穴對立即分開并在反向偏置的結區中向兩端流動，然后在邊界處被吸收，從而在外電路中形成電流，完成光檢測的整個過程。

PIN型光電二極管的主要參數，①開關時間：由于電荷的存儲效應，PIN管的通斷和斷通都需要一個過程，這個過程所需時間；②隔離度：開關在斷開時其衰減也非無窮大，稱為隔離度；③插入損耗：開關在導通時衰減不為零，稱為插入損耗；④承受功率：在給定的工作條件下，微波開關能夠承受的最大輸入功率；⑤電壓駐波系數：僅反映端口輸入，輸出匹配情況；⑥開關的分類：反射式和吸收式，吸收式開關的性能較反射式開關優良；⑦控制方式：采用TTL信號控制，‘1通‘0斷。

（2）APD雪崩光電二極管

與PIN光電二極管相比，APD雪崩光電二極管的靈敏度更高，響應也更快，但它在工作時對電壓要求高，而且當入射光功率比較大時，相應的增益引起的噪聲也大，如此一來會帶來電流的失真。APD雪崩光電二極管的設計動機[3]：在光生電流尚未遇到后續電路的熱噪聲時已經在高電場的雪崩區中得到放大，對接收機靈敏度的提高起到了幫助的作用。

保護環型APD（Guard ring APD）在制作時先淀積一層環形N型材料，然后高溫推進形成一個深的圓形保護環，是保護環和P區之間形成濃度緩慢變化的梯度接面，以防止在高反壓時使P-N結邊緣產生雪崩擊穿。GAPD具有很高的靈敏度，但是其雪崩增益與負向偏壓之間的非線性關系很顯著。要想得到足夠大的增益，就必須使GAPD在接近擊穿電壓的情況之下，但是擊穿電壓對溫度的變化又十分敏感。因此，為使GAPD在環境溫度變化的時候也能保持穩定的增益。就要設法控制GAPD的負向偏壓，拉通型雪APD （ Reach-through APD ）也就是為此目的而設計的。

APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長波長區）等。

（3）MSM光檢測器

MSM是20世紀70年代末出現的一種高速光檢測器，是在硅材料上直接沉積叉指狀金屬電極，金屬電極與硅材料形成肖特基勢壘接觸[4]。當適當波長的光入射時，硅材料價帶電子吸收光子能量而躍遷到導帶上去，在導帶和價帶之間產生電子-空穴對。外加偏壓下，光生電子-空穴對在叉指電極之間電場作用下經過漂移或擴散等運動被叉指電極俘獲，形成光生電流。MSM光檢測器的分布電容小，暗電流低，在結構和制造工藝方面與金屬半導體場效應晶體管（MESFET），高電子遷移率晶體管（HEMT），異質結雙極型晶體管（HBT）等晶體管兼容。MSM的響應速度可高達100 GHz，已廣泛應用于各種高速光探測系統中。

4 結語

光檢測器的發展與光通訊的發展息息相關，該文對幾種光檢測器的性能、基本原理、優缺點作了簡要的闡述，對數字光通訊中光檢測器件的選擇有一定指導意義。

參考文獻

[1] 畢衛紅，張燕君，齊躍峰.光纖通訊與傳感技術光纖通訊與傳感技術[M].北京：電子工業出版社，2008：130-158.

[2] 白宗杰，陳世軍，周揚.單光子雪崩二極管探測系統測試與設計分析[J].器件制造與應用，2010，10（3）：775-779.

[3] 安毓英，曾曉東.光電探測原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004：90-111.

[4] Liu Wei，Fu Jiangtao，Chang Benkang.Analy sis on spectr um respo nse and visual range of low lig ht lev el nig ht vision system under laser illuminate[J].Chinese J.Lasers，2010，37（1）：312-315.endprint

摘 要：光電檢測技術是光電技術的重要組成部分，是對光量及大量非光物理量進行測量的重要手段。在光纖傳感及光纖通訊系統中，光電檢測器是光接收機實現光——電轉換的關鍵器件，它的靈敏度、帶寬等特性參數直接影響系統的總體性能。

關鍵詞：光電檢測 靈敏度 光纖傳感 光纖通訊

中圖分類號：O359 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0099-02

隨著光纖通訊信息量的增大，人們對光電檢測器的要求也越來越高，主要要求其具有高的可靠性和靈敏度，以及低成本，同時要求光電檢測器的光敏面應與光纖芯徑匹配。光電檢測器一般使用半導體材料制成。該文介紹了光檢測原理，并分析了光電檢測器的設計要求和常見分類。

1 光檢測原理

所謂光檢測過程，也就是受激光吸收的過程。如圖1所示，假如入射光子的能量超過禁帶能量，只有幾微米寬的耗盡區每次吸收一個光子，將產生一個電子空穴對，發生受激吸收。結施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子—空穴通過對電場的作用，分別離開耗盡區，電子向N區漂移，空穴向P區漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則離開N區進入正電極。從而在外電路形成光生電流。當入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉變成電流信號。光生電流與產生的電子空穴對和這些載流子運動的速度有關。也就是說直接與入射光功率成正比[1]，即 （1）

在公式（1）中，R表示光電檢測響應度（用A/W表示）。由此式可以得到

在公式（4）中，λ=c/υ是指入射光波長，用μm表示，c=3×10m/s是真空中的光速。上式表示光電檢測器響應度隨波長而增加，這是因為光子能量hν減小時可以產生與減少的能量相等的電流。R和λ的這種線性關系不能一直保持下去，因為光子能量太小時將不能產生電子。當光子能量變得比禁帶能量小時，無論入射光多強，光電效應也不會發生，此時量子效率下降到零，也就是說，光電效應必須滿足條件。

2 光電檢測器的設計要求

為了滿足應用的需求光電檢測器設計時應滿足：（1）能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉換；（2）靈敏的響應度，要求在有入射功率進入時，能輸出足夠大的光電流；（3）要求光電檢測器件的噪聲低，這樣避免了其本身對檢測輸出信號的影響；（4）具備良好的線性關系，以保證在信號轉換的過程中數據的準確性；（5）要求其低成本及耐用，具有較長的工作壽命等。

3 數字光通訊中常用的三種光檢測器

當前，在數字光通訊中常用的光電檢測器主要有三種：PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管和MSM（金屬-半導體-金屬）光檢測器。

（1）PIN光電二極管

PIN光電二極管的特點主要是工作性能穩定，所要求的供電電壓低，但其響應頻率高，可高達10 GHz，同時響應速度快，因此被廣泛使用。在使用材料上，由于PIN光電二極管在P型、N型半導體之間的I層，使用了輕摻雜的N型材料，這樣一來，其電子濃度相對來說很低，這樣經過擴散后便會形成一個很寬的耗盡層，約有5～50 μm可吸收絕大多數光子，因此，大大地提高了PIN光電二極管的轉換效率和響應速度。

圖2為PIN光電二極管的能帶簡圖，在圖2中，自由電子—空穴對（稱為光生載流子）主要通過能量大于或等于帶隙能量的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導帶上來產生。在耗盡區的高電場使得電子—空穴對立即分開并在反向偏置的結區中向兩端流動，然后在邊界處被吸收，從而在外電路中形成電流，完成光檢測的整個過程。

PIN型光電二極管的主要參數，①開關時間：由于電荷的存儲效應，PIN管的通斷和斷通都需要一個過程，這個過程所需時間；②隔離度：開關在斷開時其衰減也非無窮大，稱為隔離度；③插入損耗：開關在導通時衰減不為零，稱為插入損耗；④承受功率：在給定的工作條件下，微波開關能夠承受的最大輸入功率；⑤電壓駐波系數：僅反映端口輸入，輸出匹配情況；⑥開關的分類：反射式和吸收式，吸收式開關的性能較反射式開關優良；⑦控制方式：采用TTL信號控制，‘1通‘0斷。

（2）APD雪崩光電二極管

與PIN光電二極管相比，APD雪崩光電二極管的靈敏度更高，響應也更快，但它在工作時對電壓要求高，而且當入射光功率比較大時，相應的增益引起的噪聲也大，如此一來會帶來電流的失真。APD雪崩光電二極管的設計動機[3]：在光生電流尚未遇到后續電路的熱噪聲時已經在高電場的雪崩區中得到放大，對接收機靈敏度的提高起到了幫助的作用。

保護環型APD（Guard ring APD）在制作時先淀積一層環形N型材料，然后高溫推進形成一個深的圓形保護環，是保護環和P區之間形成濃度緩慢變化的梯度接面，以防止在高反壓時使P-N結邊緣產生雪崩擊穿。GAPD具有很高的靈敏度，但是其雪崩增益與負向偏壓之間的非線性關系很顯著。要想得到足夠大的增益，就必須使GAPD在接近擊穿電壓的情況之下，但是擊穿電壓對溫度的變化又十分敏感。因此，為使GAPD在環境溫度變化的時候也能保持穩定的增益。就要設法控制GAPD的負向偏壓，拉通型雪APD （ Reach-through APD ）也就是為此目的而設計的。

APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長波長區）等。

（3）MSM光檢測器

MSM是20世紀70年代末出現的一種高速光檢測器，是在硅材料上直接沉積叉指狀金屬電極，金屬電極與硅材料形成肖特基勢壘接觸[4]。當適當波長的光入射時，硅材料價帶電子吸收光子能量而躍遷到導帶上去，在導帶和價帶之間產生電子-空穴對。外加偏壓下，光生電子-空穴對在叉指電極之間電場作用下經過漂移或擴散等運動被叉指電極俘獲，形成光生電流。MSM光檢測器的分布電容小，暗電流低，在結構和制造工藝方面與金屬半導體場效應晶體管（MESFET），高電子遷移率晶體管（HEMT），異質結雙極型晶體管（HBT）等晶體管兼容。MSM的響應速度可高達100 GHz，已廣泛應用于各種高速光探測系統中。

4 結語

光檢測器的發展與光通訊的發展息息相關，該文對幾種光檢測器的性能、基本原理、優缺點作了簡要的闡述，對數字光通訊中光檢測器件的選擇有一定指導意義。

參考文獻

[1] 畢衛紅，張燕君，齊躍峰.光纖通訊與傳感技術光纖通訊與傳感技術[M].北京：電子工業出版社，2008：130-158.

[2] 白宗杰，陳世軍，周揚.單光子雪崩二極管探測系統測試與設計分析[J].器件制造與應用，2010，10（3）：775-779.

[3] 安毓英，曾曉東.光電探測原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004：90-111.

[4] Liu Wei，Fu Jiangtao，Chang Benkang.Analy sis on spectr um respo nse and visual range of low lig ht lev el nig ht vision system under laser illuminate[J].Chinese J.Lasers，2010，37（1）：312-315.endprint

摘 要：光電檢測技術是光電技術的重要組成部分，是對光量及大量非光物理量進行測量的重要手段。在光纖傳感及光纖通訊系統中，光電檢測器是光接收機實現光——電轉換的關鍵器件，它的靈敏度、帶寬等特性參數直接影響系統的總體性能。

關鍵詞：光電檢測 靈敏度 光纖傳感 光纖通訊

中圖分類號：O359 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0099-02

隨著光纖通訊信息量的增大，人們對光電檢測器的要求也越來越高，主要要求其具有高的可靠性和靈敏度，以及低成本，同時要求光電檢測器的光敏面應與光纖芯徑匹配。光電檢測器一般使用半導體材料制成。該文介紹了光檢測原理，并分析了光電檢測器的設計要求和常見分類。

1 光檢測原理

所謂光檢測過程，也就是受激光吸收的過程。如圖1所示，假如入射光子的能量超過禁帶能量，只有幾微米寬的耗盡區每次吸收一個光子，將產生一個電子空穴對，發生受激吸收。結施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子—空穴通過對電場的作用，分別離開耗盡區，電子向N區漂移，空穴向P區漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則離開N區進入正電極。從而在外電路形成光生電流。當入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉變成電流信號。光生電流與產生的電子空穴對和這些載流子運動的速度有關。也就是說直接與入射光功率成正比[1]，即 （1）

在公式（1）中，R表示光電檢測響應度（用A/W表示）。由此式可以得到

在公式（4）中，λ=c/υ是指入射光波長，用μm表示，c=3×10m/s是真空中的光速。上式表示光電檢測器響應度隨波長而增加，這是因為光子能量hν減小時可以產生與減少的能量相等的電流。R和λ的這種線性關系不能一直保持下去，因為光子能量太小時將不能產生電子。當光子能量變得比禁帶能量小時，無論入射光多強，光電效應也不會發生，此時量子效率下降到零，也就是說，光電效應必須滿足條件。

2 光電檢測器的設計要求

為了滿足應用的需求光電檢測器設計時應滿足：（1）能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉換；（2）靈敏的響應度，要求在有入射功率進入時，能輸出足夠大的光電流；（3）要求光電檢測器件的噪聲低，這樣避免了其本身對檢測輸出信號的影響；（4）具備良好的線性關系，以保證在信號轉換的過程中數據的準確性；（5）要求其低成本及耐用，具有較長的工作壽命等。

3 數字光通訊中常用的三種光檢測器

當前，在數字光通訊中常用的光電檢測器主要有三種：PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管和MSM（金屬-半導體-金屬）光檢測器。

（1）PIN光電二極管

PIN光電二極管的特點主要是工作性能穩定，所要求的供電電壓低，但其響應頻率高，可高達10 GHz，同時響應速度快，因此被廣泛使用。在使用材料上，由于PIN光電二極管在P型、N型半導體之間的I層，使用了輕摻雜的N型材料，這樣一來，其電子濃度相對來說很低，這樣經過擴散后便會形成一個很寬的耗盡層，約有5～50 μm可吸收絕大多數光子，因此，大大地提高了PIN光電二極管的轉換效率和響應速度。

圖2為PIN光電二極管的能帶簡圖，在圖2中，自由電子—空穴對（稱為光生載流子）主要通過能量大于或等于帶隙能量的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導帶上來產生。在耗盡區的高電場使得電子—空穴對立即分開并在反向偏置的結區中向兩端流動，然后在邊界處被吸收，從而在外電路中形成電流，完成光檢測的整個過程。

PIN型光電二極管的主要參數，①開關時間：由于電荷的存儲效應，PIN管的通斷和斷通都需要一個過程，這個過程所需時間；②隔離度：開關在斷開時其衰減也非無窮大，稱為隔離度；③插入損耗：開關在導通時衰減不為零，稱為插入損耗；④承受功率：在給定的工作條件下，微波開關能夠承受的最大輸入功率；⑤電壓駐波系數：僅反映端口輸入，輸出匹配情況；⑥開關的分類：反射式和吸收式，吸收式開關的性能較反射式開關優良；⑦控制方式：采用TTL信號控制，‘1通‘0斷。

（2）APD雪崩光電二極管

與PIN光電二極管相比，APD雪崩光電二極管的靈敏度更高，響應也更快，但它在工作時對電壓要求高，而且當入射光功率比較大時，相應的增益引起的噪聲也大，如此一來會帶來電流的失真。APD雪崩光電二極管的設計動機[3]：在光生電流尚未遇到后續電路的熱噪聲時已經在高電場的雪崩區中得到放大，對接收機靈敏度的提高起到了幫助的作用。

保護環型APD（Guard ring APD）在制作時先淀積一層環形N型材料，然后高溫推進形成一個深的圓形保護環，是保護環和P區之間形成濃度緩慢變化的梯度接面，以防止在高反壓時使P-N結邊緣產生雪崩擊穿。GAPD具有很高的靈敏度，但是其雪崩增益與負向偏壓之間的非線性關系很顯著。要想得到足夠大的增益，就必須使GAPD在接近擊穿電壓的情況之下，但是擊穿電壓對溫度的變化又十分敏感。因此，為使GAPD在環境溫度變化的時候也能保持穩定的增益。就要設法控制GAPD的負向偏壓，拉通型雪APD （ Reach-through APD ）也就是為此目的而設計的。

APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長波長區）等。

（3）MSM光檢測器

MSM是20世紀70年代末出現的一種高速光檢測器，是在硅材料上直接沉積叉指狀金屬電極，金屬電極與硅材料形成肖特基勢壘接觸[4]。當適當波長的光入射時，硅材料價帶電子吸收光子能量而躍遷到導帶上去，在導帶和價帶之間產生電子-空穴對。外加偏壓下，光生電子-空穴對在叉指電極之間電場作用下經過漂移或擴散等運動被叉指電極俘獲，形成光生電流。MSM光檢測器的分布電容小，暗電流低，在結構和制造工藝方面與金屬半導體場效應晶體管（MESFET），高電子遷移率晶體管（HEMT），異質結雙極型晶體管（HBT）等晶體管兼容。MSM的響應速度可高達100 GHz，已廣泛應用于各種高速光探測系統中。

4 結語

光檢測器的發展與光通訊的發展息息相關，該文對幾種光檢測器的性能、基本原理、優缺點作了簡要的闡述，對數字光通訊中光檢測器件的選擇有一定指導意義。

參考文獻

[1] 畢衛紅，張燕君，齊躍峰.光纖通訊與傳感技術光纖通訊與傳感技術[M].北京：電子工業出版社，2008：130-158.

[2] 白宗杰，陳世軍，周揚.單光子雪崩二極管探測系統測試與設計分析[J].器件制造與應用，2010，10（3）：775-779.

[3] 安毓英，曾曉東.光電探測原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004：90-111.

[4] Liu Wei，Fu Jiangtao，Chang Benkang.Analy sis on spectr um respo nse and visual range of low lig ht lev el nig ht vision system under laser illuminate[J].Chinese J.Lasers，2010，37（1）：312-315.endprint