光電探測器。
光模塊接收端能正確識別信號并完成光電轉換,就需要光電探測器,光電探測器通過檢測出照射在其上面的光功率,從而并完成光/電信號的轉換。我們常用的PIN光電二極管和APD(雪崩)光電二極管就屬于光電探測器。要說探測器,就必須說說探測器基本的結構PN結。
PN結
PN結,指的將P型半導體和N型半導體制作在同一塊半導體的基片上,在這兩個半導體的交界處形成的空間電荷區。我們先看看什么是P型和N型半導體。
P型半導體:含有較高濃度的“空穴”(空穴相當于正電荷),所以是Positive的P,成為能導電的物質;
N型半導體:含電子濃度較高的半導體,導電性由自由電子導電,由于電子帶負電,所以是Negative的N。
因此,在P型半導體和N型半導體交界處就出現了電子和空穴的濃度差,從而形成空穴和電子的擴散運動,導致一些電子從N型區向P型區擴散,一些空穴又從P型區向N型區擴散。最終的結果就是在PN交匯處形成空間電荷區電場(內電場,從N指向P),也稱之為PN結(缺少“多子”也叫耗盡層)。
(圖片來源于網絡)
在這里說明一下內部電場,這個電場的形成就導致了載流子的漂移運動,一是N區的載流子空穴向P區漂移,另外是P區的載流子電子向N區漂移。
(圖片來源于網絡)
因此,單純的PN二極管的擴散運動只發生在PN結附近,遠離PN結的地方就沒有電場存在,這也是為什么PN二極管的光電變換效率低下以及響應速度也很慢。
PIN光管二極管
為了解決這個問題,提高轉換效率和響應速率,通過在P型和N型半導體之間增加 一層輕摻雜的N型材料I(Intrinsic,本征的)層,以展寬耗盡層,提高轉換效率,這是因為輕摻雜I層,電子濃度很低,經擴散后就可以形成一個很寬的耗盡層。這就是我們的PIN光電二極管。
PIN光電二極管
原理:
(1)光子照射在半導體材料上產生光生載流子;
(2)光電流在外部電路作用下形成電信號并輸出。
APD雪崩光管二極管
在前面的文章中我們說到,APD雪崩光電二極管具有較高的接收機靈敏度,這個較高靈敏度靠的就是對初級的電光流進行雪崩倍增效果。說到雪崩,估計大家腦海中的第一印象就是大雪山發生雪崩,其實也是同樣的道理,高山上的一點雪發生碰撞,從上而下一路累積,雪團越來越大,最后形成雪崩。
從這里我們可以看出,要發生雪崩,必須具備一個條件就是山要足夠的高。因此,雪崩光電二極管也就是在PIN光電二極管的基礎結構中增加了雪崩區。使得光生載流子在其耗盡區(高場區)內的碰撞電離效應激發出新的電子-空穴對,新產生的載流子通過電場加速,導致更多的碰撞電離產生,一生二,二生三,三生萬物,從而獲得光生電流的雪崩倍增。
APD雪崩光電二極管
原理:
(1)光子照射在半導體材料上產生光生載流子;
(2)光生載流子在雪崩區即高電場區發生雪崩倍增;
(3)光電流在外部電路作用下形成電信號并輸出。