半导体光电探测器

一种光学装置，利用半导体P-N结的内部光电效应将光信号转换为电信号。用于光纤通信的半导体光电探测器包括半导体光电二极管（P-N结或PIN）和半导体雪崩光电二极管（APD）;肖特基势垒或光电晶体管也用于光电子集成。
它们都具有体积小，灵敏度高，响应速度快，噪音低等优点。由于载流子的扩散，在P-N结之间形成具有宽度W的耗尽层，并且产生在所示方向上的内建电场。
如果连接P-N结，则由于耗尽层中缺少载流子，外部电路中没有电流。此时，使用适当波长的光进行照明，并在外部电路中产生相应的电流 - 光电流。
图（1-b）显示了PN结的能带图。在光的照射下，价带Ev中的电子吸收光子过渡到导带，在价带中留下空穴（这种负载在光的作用下产生）该流被称为光生载流子） 。
它们在内置电场下的耗尽层漂移;在耗尽区之外，它们首先扩散到耗尽层然后漂移，从而在外部电路中形成反向电流，即光电流。这种由于光的照射而产生电流的效果被称为光电效应。
另外，在耗尽层中产生的光生载流子可以有效地形成光生电流，因此为了提高光电转换效率，需要加宽耗尽层。光电二极管加反向偏压操作就是为此目的。
PIN光电二极管是轻掺杂的I层，在P和N层之间具有较宽的近本征半导体。在反向偏压下，载流子被清除以耗尽该层。
它大大拓宽，因此其光电转换效率远高于PN结光电二极管。 APD光电二极管或雪崩光电二极管是具有增益的光电器件，其增益由雪崩倍增效应产生。
当APD管工作时，反向偏压非常高，并且光生载流子在耗尽层的高电场区域中获得大的动能，引起雪崩碰撞，这导致光电流雪崩倍增。特征1响应度R和量子效率η：响应度R，表示将光功率转换为电流的能力，是波长λ的函数：R（λ）≡I/ P，P是输入光功率，I是输出光电流;量子效率η是指每个光子可以激发的载流子的平均数，η（λ）≡，其中e是电子电荷，hγ是入射光子能量。
R和η之间的关系是M是APD的倍增因子。对于非乘法设备M = 1; 2光谱响应：R（λ）作为入射光波长函数的特性，R（λ）下降到对应于峰值一半的波长，长波侧称为长波长限制（取决于关于材料的带隙）短波侧称为短波长（取决于吸收系数的急剧增加）; 3噪声等效功率：NEP≡P/（），其中S是有用信号电流，N是噪声电流，△f是接收器带宽，4暗电流：当没有时，器件工作点的电流光。
它是直流噪声的主要来源，包括扩散电流，复合层复合电流，隧道电流和表面漏电流; 5脉冲响应时间：指响应瞬态光信号的能力，包括脉冲上升时间τr和脉冲下降时间τf。如果检测器的响应速度不跟随光信号的变化，则输出光电流将随着调制频率的增加而减小。
其他包括伏安特性，温度特性和劣化特性。在0.8至0.9μm波段，硅APD具有接近理想的性能。
表中给出了1.3至1.55μm波段中使用的三个光电探测器的比较。这些设备的性能尚未达到完美。
对于大于1.6μm的波长带，可以使用AlGaSb（铝镓锗）/ GaSb（碲化镓），HgCdTe / CdTe光电探测器。