(三) 噪声 三 噪声。 噪声影响光接收机的灵敏度 灵敏度。 噪声 灵敏度 噪声包括散粒噪声 散粒噪声(Shot Noise)(由信号电 噪声 散粒噪声

　　热噪声 流和暗电流产生) 热噪声(由负载电阻和后继放 大器输入电阻产生) （ 1 ）均方散粒噪声电流 均方散粒噪声电流 〈 i2sh〉=2e(IPId)B 别为信号电流和暗电流。 (3.22)

　　当光电二极管具有单一时间常数τ0 时， 其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函 数exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脉冲响应时 脉冲响应时 间 τ=τr=τf=2.2τ0 (3.16)

　　对于幅度一定，频率为ω=2πf 的正弦调制 信号，用光生电流I(ω)下降3dB的频率定义为 截止频率f 截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数 τ0时，

　　PIN光电二极管 光电二极管的工作原理和结构见图 光电二极管 3.20和图3.21。

　　中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导 本征半导 掺杂浓度很高的P型 体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度 掺杂浓度 和N型半导体，用P和N表示。 I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易 吸收系数 进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空 电子 穴对，因而大幅度提高了光电转换效率 光电转换效率。 穴对 光电转换效率

　　3.2.3 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管(APD)  光电二极管输出电流 I和反偏压 输出电流 反偏压U的关系 反偏压 示于图3.24。 随着反向偏压 反向偏压的增加，开始光电流 光电流基本 反向偏压 光电流 保持不变。 当反向偏压 反向偏压增加到一定数值时，光电流 光电流急 反向偏压 光电流 剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击 击 穿电压U 穿电压 B。

　　3.2.1 光电二极管工作原理 光电二极管(PD) 光电二极管 (PD)把光信号转换为电信号 的功能， 是由半导体PN结的光电效应 光电效应实现的。 光电效应 

　　或等于带隙( hf ≥ Eg ) 内部电场的作用，电子向N 在耗尽层 区运动，空穴向P区运动 形成漂移电流。

　　式中，渡越时间τd=w/vs ，w为耗尽层宽度， vs为载流子渡越速度， 比例于电场强度。 由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 减小耗 减小耗 尽层宽度w，可以减小渡越时间 d，从而提高 减小渡越时间 尽层宽度 减小渡越时间τ 提高 截止频率f 降低量子效率 截止频率 c，但是同时要降低量子效率 降低量子效率η。

　　ρ η 图3-22 PIN光电二极管响应度、 量子效应率 与波长 的关系 λ

　　(二) 响应时间和频率特性 响应时间和频率特性。 光电二极管对高速调制光信号的响应能力 响应能力 用脉冲响应时间 截止频率 c(带宽B)表示。 脉冲响应时间τ或截止频率 脉冲响应时间 截止频率f 对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉 冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿 由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上 脉冲上 升时间τr和脉冲下降时间 f。 升时间 脉冲下降时间τ 脉冲下降时间

　　PIN光电二极管具有如下主要特性：  (一) 量子效率和光谱特性 量子效率和光谱特性。 (1) 光电转换效率用量子效率 光电转换效率 量子效率η或响应度 响应度 量子效率 ρ表示。量子效率 量子效率η的定义为一次光生电子 光 量子效率 空穴对和入射光子数 空穴对 入射光子数的比值 入射光子数

　　两侧P层和N层很薄，吸收入射光的比 例很小，I层几乎占据整个耗尽层 因而光生 耗尽层， 耗尽层 电流中漂移分量 漂移分量占支配地位，从而大大提高 漂移分量 了响应速度 响应速度。 响应速度 另外，可通过控制耗尽层的宽度 耗尽层的宽度w，来改 耗尽层的宽度 变器件的响应速度 响应速度。 响应速度

　　在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于 热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可 能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和 漂移电流相同方向 扩散电流 漂移电流相同方向的扩散电流 相同方向 扩散电流。 漂移电流分量和扩散电流 扩散电流分量的总和即 漂移电流 扩散电流 为光生电流 光生电流。当与P层和N层连接的电路开路 光生电流 时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电 光电 效应。 效应

　　APD就是根据这种特性设计的器件。  APD 根据光电效应 光电效应，当光入射到PN结时， 光 光电效应 子被吸收而产生电子 - 空穴对。 电子 空穴对。 如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上， 如果 初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量 而加速运动。 高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使 晶格原子电离，产生新的电子 - 空穴对 电子 空穴对。

　　式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载 电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的 C C 总和。

　　式中，ε为材料介电常数 材料介电常数，A为结面积 材料介电常数 结面积，w 结面积 为耗尽层 耗尽层宽度。 耗尽层

　　PIN光电二极管响应时间 频率特性主要 响应时间或频率特性 响应时间 频率特性主要 渡越时间τ 由 光生载流子在耗尽层的渡越时间 d 和包括 渡越时间 光电二极管在内的检测电路RC常数 确定 常数所确定 常数 确定。 当调制频率ω与渡越时间τd的倒数可以相 比时， 耗尽层(I层)对量子效率η(ω)的贡献可以表示为

　　形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而 产生)  2eIdB是暗电流 暗电流产生的噪声。 暗电流 暗电流是器件在反 偏压 反 偏压条件下，没有入 暗电流 反向直流电流。 射光时产生的反向直流 反向直流

　　U为反向偏压 反向偏压，UB 为击穿电压 反向偏压 击穿电压，n为与材 击穿电压 料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻 体电阻。 体电阻 当U≈UB时，RIo/UB1，上式可简化为

　　3.2.2 PIN 光电二极管 PIN光电二极管的产生 光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入 射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低， 光电转换效率低 光电转换效率 响应速度慢 响应速度慢。 为改善器件的特性，在PN结中间设置一 层掺杂浓度很低的本征半导体 本征半导体(称为I)，这种结 本征半导体 光电二极管。 构便是常用的PIN光电二极管 光电二极管

　　对APD特性新引入的参数是倍增因子 倍增因子和 倍增因子 附加噪声指数 1. 倍增因子 倍增因子 倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益 倍增因子 的倍数)定义为APD输出光电流 o和一次光生 光电流I 光电流 光生 电流I 电流 P的比值。

　　2. 过剩噪声因子 过剩噪声因子 APD的均方量子噪声电流 均方量子噪声电流为 均方量子噪声电流 〈i2q〉=2eIPBg2 (3.26a) 引入新的噪声成分， 并表示为附加噪声 附加噪声 因子F 因子F。F(1)是雪崩效应 雪崩效应的随机性引起噪声增 雪崩效应 加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流 均方量子噪声电流 应为 〈i2q〉=2eIPBg2x 式中， x为附加噪声指数。  (3.26b)

　　响应度的定义为一次光生电流 P和入射光 光生电流I 入射光 响应度 光生电流 功率P 功率 0的比值

　　式中， hf 为光子能量 e为电子电荷  光子能量， 电子电荷。 光子能量 电子电荷

　　（2） 量子效率的光谱特性取决于半导体 量子效率 材料的吸收光谱 吸收光谱α(λ)，对长波长的限制由式 吸收光谱 (3.6)确定，即λc= hc /Eg。 图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱 量子效率η 响应度 量子效率 响应度ρ 特性，由图可见，Si 适用于0.8~0.9µm波段， Ge 和InGaAs 适用于1.3~1.6 µm波段。响应度 一般为0.5~0.6 (A/W)。

　　如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施 施 反向偏压，目的是增加 耗尽层的 增加耗尽层的 加 适当的反向偏压 反向偏压 增加 宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从 宽度 而减小光生电流中的扩散分量 扩散分量。 扩散分量

　　由于载流子扩散运动 漂移运动 扩散运动比漂移运动 扩散运动 漂移运动慢得多， 所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应 响应 速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又 速度 会增加载流子漂移的渡越时间 渡越时间， 使响应速度 渡越时间 减慢。 为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光 电二极管的结构。

　　式中，k=1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数 波尔兹曼常数， 波尔兹曼常数 T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电 阻和放大器输入电阻并联的结果。  因此， 光电二极管的总均方噪声电流 总均方噪声电流为 总均方噪声电流

　　新产生的二次电子再次和原子碰撞。 如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流 载流 子雪崩式倍增，见图3.25。 雪崩式倍增 所以这种器件就称为雪崩光电二极管 雪崩光电二极管 所以 (APD)。

　　当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通 过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N 区， 便形成了光生电流 光生电流。 光生电流 当入射光变化时，光生电流随之作线性变 线性变 光信号转换成电信号 电信号。 化，从而把光信号 光信号 电信号 这种由PN结构成，在入射光作用下，由 于受激吸收过程产生的电子 - 空穴对的运动， 在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单 的光电二极管 光电二极管(PD)。  光电二极管