常用光检测器的分类及特性分析

邢海峰

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

中图分类号：O359 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0099-02

随着光纤通讯信息量的增大，人们对光电检测器的要求也越来越高，主要要求其具有高的可靠性和灵敏度，以及低成本，同时要求光电检测器的光敏面应与光纤芯径匹配。光电检测器一般使用半导体材料制成。该文介绍了光检测原理，并分析了光电检测器的设计要求和常见分类。

1 光检测原理

所谓光检测过程，也就是受激光吸收的过程。如图1所示，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。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[1]，即 （1）

在公式（1）中，R表示光电检测响应度（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。

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）灵敏的响应度，要求在有入射功率进入时，能输出足够大的光电流；（3）要求光电检测器件的噪声低，这样避免了其本身对检测输出信号的影响；（4）具备良好的线性关系，以保证在信号转换的过程中数据的准确性；（5）要求其低成本及耐用，具有较长的工作寿命等。

3 数字光通讯中常用的三种光检测器

当前，在数字光通讯中常用的光电检测器主要有三种：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管和MSM（金属-半导体-金属）光检测器。

（1）PIN光电二极管

PIN光电二极管的特点主要是工作性能稳定，所要求的供电电压低，但其响应频率高，可高达10 GHz，同时响应速度快，因此被广泛使用。在使用材料上，由于PIN光电二极管在P型、N型半导体之间的I层，使用了轻掺杂的N型材料，这样一来，其电子浓度相对来说很低，这样经过扩散后便会形成一个很宽的耗尽层，约有5～50 μm可吸收绝大多数光子，因此，大大地提高了PIN光电二极管的转换效率和响应速度。

图2为PIN光电二极管的能带简图，在图2中，自由电子—空穴对（称为光生载流子）主要通过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来产生。在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，完成光检测的整个过程。

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开关的分类：反射式和吸收式，吸收式开关的性能较反射式开关优良；⑦控制方式：采用TTL信号控制，‘1通‘0断。

（2）APD雪崩光电二极管

与PIN光电二极管相比，APD雪崩光电二极管的灵敏度更高，响应也更快，但它在工作时对电压要求高，而且当入射光功率比较大时，相应的增益引起的噪声也大，如此一来会带来电流的失真。APD雪崩光电二极管的设计动机[3]：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，对接收机灵敏度的提高起到了帮助的作用。

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。

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）MSM光检测器

MSM是20世纪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[4]。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100 GHz，已广泛应用于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，该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。

参考文献

[1] 毕卫红，张燕君，齐跃峰.光纤通讯与传感技术光纤通讯与传感技术[M].北京：电子工业出版社，2008：130-158.

[2] 白宗杰，陈世军，周扬.单光子雪崩二极管探测系统测试与设计分析[J].器件制造与应用，2010，10（3）：775-779.

[3] 安毓英，曾晓东.光电探测原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，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

中图分类号：O359 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0099-02

随着光纤通讯信息量的增大，人们对光电检测器的要求也越来越高，主要要求其具有高的可靠性和灵敏度，以及低成本，同时要求光电检测器的光敏面应与光纤芯径匹配。光电检测器一般使用半导体材料制成。该文介绍了光检测原理，并分析了光电检测器的设计要求和常见分类。

1 光检测原理

所谓光检测过程，也就是受激光吸收的过程。如图1所示，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。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[1]，即 （1）

在公式（1）中，R表示光电检测响应度（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。

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）灵敏的响应度，要求在有入射功率进入时，能输出足够大的光电流；（3）要求光电检测器件的噪声低，这样避免了其本身对检测输出信号的影响；（4）具备良好的线性关系，以保证在信号转换的过程中数据的准确性；（5）要求其低成本及耐用，具有较长的工作寿命等。

3 数字光通讯中常用的三种光检测器

当前，在数字光通讯中常用的光电检测器主要有三种：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管和MSM（金属-半导体-金属）光检测器。

（1）PIN光电二极管

PIN光电二极管的特点主要是工作性能稳定，所要求的供电电压低，但其响应频率高，可高达10 GHz，同时响应速度快，因此被广泛使用。在使用材料上，由于PIN光电二极管在P型、N型半导体之间的I层，使用了轻掺杂的N型材料，这样一来，其电子浓度相对来说很低，这样经过扩散后便会形成一个很宽的耗尽层，约有5～50 μm可吸收绝大多数光子，因此，大大地提高了PIN光电二极管的转换效率和响应速度。

图2为PIN光电二极管的能带简图，在图2中，自由电子—空穴对（称为光生载流子）主要通过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来产生。在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，完成光检测的整个过程。

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开关的分类：反射式和吸收式，吸收式开关的性能较反射式开关优良；⑦控制方式：采用TTL信号控制，‘1通‘0断。

（2）APD雪崩光电二极管

与PIN光电二极管相比，APD雪崩光电二极管的灵敏度更高，响应也更快，但它在工作时对电压要求高，而且当入射光功率比较大时，相应的增益引起的噪声也大，如此一来会带来电流的失真。APD雪崩光电二极管的设计动机[3]：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，对接收机灵敏度的提高起到了帮助的作用。

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。

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）MSM光检测器

MSM是20世纪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[4]。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100 GHz，已广泛应用于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，该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。

参考文献

[1] 毕卫红，张燕君，齐跃峰.光纤通讯与传感技术光纤通讯与传感技术[M].北京：电子工业出版社，2008：130-158.

[2] 白宗杰，陈世军，周扬.单光子雪崩二极管探测系统测试与设计分析[J].器件制造与应用，2010，10（3）：775-779.

[3] 安毓英，曾晓东.光电探测原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，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

中图分类号：O359 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0099-02

随着光纤通讯信息量的增大，人们对光电检测器的要求也越来越高，主要要求其具有高的可靠性和灵敏度，以及低成本，同时要求光电检测器的光敏面应与光纤芯径匹配。光电检测器一般使用半导体材料制成。该文介绍了光检测原理，并分析了光电检测器的设计要求和常见分类。

1 光检测原理

所谓光检测过程，也就是受激光吸收的过程。如图1所示，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。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[1]，即 （1）

在公式（1）中，R表示光电检测响应度（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。

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）灵敏的响应度，要求在有入射功率进入时，能输出足够大的光电流；（3）要求光电检测器件的噪声低，这样避免了其本身对检测输出信号的影响；（4）具备良好的线性关系，以保证在信号转换的过程中数据的准确性；（5）要求其低成本及耐用，具有较长的工作寿命等。

3 数字光通讯中常用的三种光检测器

当前，在数字光通讯中常用的光电检测器主要有三种：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管和MSM（金属-半导体-金属）光检测器。

（1）PIN光电二极管

PIN光电二极管的特点主要是工作性能稳定，所要求的供电电压低，但其响应频率高，可高达10 GHz，同时响应速度快，因此被广泛使用。在使用材料上，由于PIN光电二极管在P型、N型半导体之间的I层，使用了轻掺杂的N型材料，这样一来，其电子浓度相对来说很低，这样经过扩散后便会形成一个很宽的耗尽层，约有5～50 μm可吸收绝大多数光子，因此，大大地提高了PIN光电二极管的转换效率和响应速度。

图2为PIN光电二极管的能带简图，在图2中，自由电子—空穴对（称为光生载流子）主要通过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来产生。在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，完成光检测的整个过程。

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开关的分类：反射式和吸收式，吸收式开关的性能较反射式开关优良；⑦控制方式：采用TTL信号控制，‘1通‘0断。

（2）APD雪崩光电二极管

与PIN光电二极管相比，APD雪崩光电二极管的灵敏度更高，响应也更快，但它在工作时对电压要求高，而且当入射光功率比较大时，相应的增益引起的噪声也大，如此一来会带来电流的失真。APD雪崩光电二极管的设计动机[3]：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，对接收机灵敏度的提高起到了帮助的作用。

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。

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）MSM光检测器

MSM是20世纪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[4]。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100 GHz，已广泛应用于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，该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。

参考文献

[1] 毕卫红，张燕君，齐跃峰.光纤通讯与传感技术光纤通讯与传感技术[M].北京：电子工业出版社，2008：130-158.

[2] 白宗杰，陈世军，周扬.单光子雪崩二极管探测系统测试与设计分析[J].器件制造与应用，2010，10（3）：775-779.

[3] 安毓英，曾晓东.光电探测原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，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