光辐射检测器存在哪些内部噪声？

PIN与APD光电二极管特性测试

  由于PIN光电二极管响应速度快，频带宽；噪声小；线性好，保真度高；因而适合于光纤通信系统使用。而雪崩光电二极管是一种具有内部雪崩增益的光电二极管，在系统应用中前置放大器的噪声就不会成为影响接收系统性能的主要噪声源。尤其在激光器作光源的光电检测系统中，由于激光器具有很窄的光谱范围，接收时可采用窄带光谱滤光片抑制信号光以外光谱范围的背景辐射，使雪崩光电二极管所组成的接收系统有可能达到背景限。因此，它也已广泛应用于光纤通信，脉冲激光测距等系统中。所以，这里专门开设对此二管的特性测试实验。

  实验目的

  (1)验证和掌握PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；

  (2)掌握PIN和APD光电检测器件的特性参数的测量方法及使用方法；

  (3)学会使用雪崩光电二极管的一般方法，确定最佳偏置电压。

  实验内容

  (1)测量PIN的暗电流、响应度及其线性范围，画出光电特性曲线；

  (2)测量PIN的击穿电压，画出伏安特性曲线；

  (3)确定在某温度下APD的最佳工作电压与击穿电压；

  (4)测量APD输出背景噪声与外加偏压的关系。

  实验基本原理

  1．PIN光电二极管

  由于材料的吸收等原因使照射到半导体材料上的光，随着深入材料的深度的增加而逐渐减弱。半导体内部距入射表面d处的光功率为

  P(d)=P(0)exp(-αd)  (4-1)

  式中：P(0)为照射到材料表面的平均光功率；α为半导体材料的光吸收系数，α决定了入射光深入材料内部的深度，如果α很大，则光子只能进入半导体表面的薄层中。

  吸收入射光子并产生光生载流子的区域称为光吸收区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域称为作用区。在吸收区产生的光生少数载流子只有一部分进入作用区，这一部分光生载流子以较慢的速度扩散至耗尽层，进入耗尽层后在内建电场作用下作快速漂移运动，从而产生光生伏特效应。由于在作用区内，光生少数载流子的扩散速度较慢，从而影响了产生光生伏特效应的速度，导致PN结对光信号响应速度减慢。如果输入的光信号为光脉冲；则输出的光电脉冲会产生较长的拖尾。

  由此知，光在耗尽层外被吸收使得光电转换效率降低、光电响应速度变慢。为此，必须设法加宽耗尽层，使照射光子尽可能被耗尽层吸收。显然，给PN结加负偏压有助于加宽耗尽层。但除加负偏压的方法外，还可以通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间、减少在P区和N区被吸收的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器件的响应速度。这种结构就是常用的PIN光电二极管。

  下图是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系：

  L_P/L_N=D_N/D_P  (4—2)

   （4-2）式中，D_P和D_N分别为P区和N区的掺杂浓度；L_P和L_N分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有D_N<<D_P，L_P<<L_N，即在I层中形成很宽的耗尽层。由于I层有较高的电阻，因此电压基本上降落在该区，使得耗尽层宽度w可以得到加宽，并且可以通过控制I层的厚度来改变。对于高掺杂的N型薄层，产生于其中的光生载流子将很快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。

  要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，这要求耗尽层宽度W足够宽。但是随着W的增大，在耗尽层的载流子渡越时间τ_cr也会增大，τ_cr与W的关系为

  τ_cr=W/v  (4-3)

  式中：v为载流子的平均漂移速度。由于τ_cr增大，PIN的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。

  如采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能可以大为改善。在这种设计中，P区、N区和I区的带隙能量的选择，使得光吸收只发生在I区，完全消除了扩散电流的影响。在光纤通信系统的应用中，常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，下图为它的结构。InP材料的带隙为1.35eV，大于InGaAs的带隙，对于波长在1.3～1.6μm范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.3～1.6μm的光表现为较强的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。InGaAs的光探测器一般用于1.3μm和1.55μm的光纤通信系统中。

   PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度、线性饱和、击穿电压和暗电流等。

  对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率f_c或上限波长λ_c，λ_c亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于λ_c时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN的截止波长为1.1μm，故可用于0.85μm的短波长光检测；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7μm，所以它们可用于1.3μm、1.55μm的长波长光检测。

  当入射光波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。

  响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度R定义为

  R=I_P/P_in  (4-4)

  式中，P_in为入射到光电二极管上的光功率；I_P为在该入射功率下光电二极管产生的光电流；R的单位为A/W。

  响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。

  光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。

  无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。当偏置电压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压，一般为10～30V。

  2．雪崩光电二极管APD

  雪崩光电二极管APD(Avalalache Photodiode)是具有内部增益的光电检测器件，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3×10⁵V/cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体品格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子—空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子—空穴对，在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。

  下图为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P⁺和N⁺表示；在I区和N⁺区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N⁺—P结区一直扩展(或称拉通)到P⁺区，包括了中间的P层区和I区。图中的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N⁺—P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N⁺—P区。尽管I区的电场比N⁺—P区低得多，但也足够高(可达2×10⁴V/cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们把I区吸收光子产生的电子—空穴对称为初级电子—空穴对。在电场的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的初级空穴则直接被P⁺层吸收。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子—空穴对，称为二次电子—空穴对。可见，I区仍然作为吸收光信号的区域并产生初级光生电子—空穴对，此外它还具有分离初级电子和空穴的作用，初级电子在N⁺—P区通过碰撞电离形成更多的电子—空穴对，从而实现对初级光电流的放大作用。

   碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计性的，即为一个复杂的随机过程。每一个初级光生电子一空穴对在什么位置产生，在什么位置发生碰撞电离，总共碰撞出多少二次电子一空穴对，这些都是随机的。因此与PIN光电二极管相比，APD的特性较为复杂。与PIN光电二极管相比，APD的主要特性也包括：波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度等，除此之外，由于APD管中雪崩倍增的存在，APD的特性还包括了雪崩倍增特性、噪声特性、温度特性等。

  APD的雪崩倍增因子M定义为

  M=I_P/I_P0  (4-5)

  式中，I_P是APD的输出平均电流；I_P0是平均初级光生电流。从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均值之上随机起伏的量，雪崩倍增因子M的定义应理解为统计平均倍增因子。M随反偏压的增大而增大，随W的增加按指数增长。

  APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加的倍增噪声。倍增噪声是APD中的主要噪声。

  倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即光子被吸收产生初级电子—空穴对的随机性和在增益区产生二次电子—空穴对的随机性。这两个过程都是不能准确测定的，因此APD倍增因子只能是一个统计平均的概念，是一个复杂的随机函数。

  由于APD具有电流增益，所以APD的响度比PIN的响应度大大提高。而量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故APD的量子效率值总是小于1。

  APD的线性工作范围没有PIN宽，它适宜于检测微弱光信号。当光功率达到几μW以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，能够达到的最大倍增增益也降低了，即产生了饱和现象。

  APD的这种非线性转换的原因与PIN类似，主要是器件上的偏压不能保持恒定。由于偏压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种影响比PIN的情况更明显。它使得数字信号脉冲幅度产生压缩，或使模拟信号产生波形畸变，因而应设法避免。

  在低偏压下APD没有倍增效应。当偏压升高时，产生倍增效应，输出信号电流增大。当反偏压接近某一电压V_B时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压V_B称作击穿电压。如果反偏压进一步提高，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的越来越不敏感。因此APD的偏置电压接近击穿电压，一般在数十伏到数百伏。提出注意的是，击穿电压并非是APD的破坏电压，撤去该电压后APD仍能正常工作。

  APD的暗电流有初级暗电流和倍增后的暗电流之分，它随倍增因子的增加而增加；此外还有漏电流，漏电流没有经过倍增。

  APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间，载流子越过耗尽层所需的渡越时间以及二极管结电容和负载电阻的RC时间常数等因素。而渡越时间的影响相对比较大，其余因素可通过改进结构设计使影响减至很小。

实验装置与设备

  1．PIN实验线路与设备器材

  PIN光电二极管的实验线路也可如下图(b)所示那样简单连接。所用设备器材有：

   ①照度计  一台

  ②钨丝灯光源  一座

  ③直流稳压电源  一台

  ④万用表或数字电压表 一台

  ⑤微安表  一个

  ⑥InGaAs PIN光电二极管与510Ω电阻各一个。

  2．APD的实验装置

  APD的实验装置与设备布置如下图所示。

   本实验采用带有前置放大器(跟随器)的雪崩光电二极管，如下图中虚线所示。实验电路中外接负载电阻R_L=50Ω，后接自制放大器(放大倍数40倍，带宽10MHz)。雪崩光电二极管的击穿电压在350～500V之间，电流不超过50μA。实验时用0～500V直流稳压电源供电，串接μA表(100μA)测量APD的电流。

   用高频毫伏表测量信号和噪声均方根电压；用示波器观察波形；用自制脉冲光源(3kHz)作信号光源。

A.放大器的自发辐射噪声ASE

B.线路衰耗

C.系统的噪音积累

D.光缆接头

A．红外线气体分析器

B．核辐射密度计

C．噪声测量仪表

D．紫外/红外复合式火焰探测器

A、光电管

B、光电倍增管

C、硒光电池

D、测辐射热器

A、辐射源

B、吸收池

C、单色器

D、检测器

E、记录仪

A．波长的变动

B．比色杯的误差

C．辐射光的非平行性

D．检测器本身的非线性等

E．干扰物影响