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雪崩光电二极管 APD 1 目录 名词释义工作原理制造材料的选择结构特性参数PIN光电二极管和APD光电二极管的比较应用 2 名词释义 APD APD是激光通信中使用的光敏元件 在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P N结上加上反向偏压后 射入的光被P N结吸收后会形成光电流 加大反向偏压会产生 雪崩 即光电流成倍地激增 的现象 因此这种二极管被称为 雪崩光电二极管 3 工作原理 APD 雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件 它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应 以获得光电流的增益 在雪崩过程中 光生载流子在强电场的作用下高速定向运动 具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞 使晶格原子电离产生二次电子 空穴对 二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能 又使晶格原子电离产生新的电子 空穴对 此过程像 雪崩 似地继续下去 电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数 这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加 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 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 致使载流子雪崩式倍增 所以这种器件就称为雪崩光电二极管 APD 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管 4 制造材料的选择 理论上 在倍增区中可采用任何半导体材料 硅材料适用于对可见光和近红外线的检测 且具有较低的倍增噪声 超额噪声 锗材料可检测波长不超过1 7 m的红外线 但倍增噪声较大 InGaAs材料可检测波长超过1 6 m的红外线 且倍增噪声低于锗材料 它一般用作异构二极管的倍增区 该材料适用于高速光纤通信 商用产品的速度已达到10Gbit s或更高 氮化镓二极管可用于紫外线的检测 HgCdTe二极管可检测红外线 波长最高可达14 m 但需要冷却以降低暗电流 使用该二极管可获得非常低的超额噪声 5 结构 APD 1 拉通型硅雪崩光电二极管 RAPD 构成了拉通型结构 层为接近本征态的低掺杂区 而且很宽 当偏压加到一定程度后 耗尽区将被拉通到 层 一直抵达层 6 结构 APD 2 保护环型硅雪崩光电二极管 GAPD 其雪崩增益与反向偏压间的非线性关系非常突出 所以具有很高的响应度的优点 要想得到足够大的增益 GAPD必须工作在接近击穿电压处 但击穿电压对温度的变化十分敏感 因此有了增益对温度变化很敏感的缺点 7 结构 APD 3 SAGM型APDP N结加合适的高反向偏压 使耗尽层中光生载流子受到强电场的加速作用获得足够高的动能 它们与晶格碰撞电离产生新的电子一空穴对 这些载流子又不断引起新的碰撞电离 造成载流子的雪崩倍增 得到电流增益 在0 6 0 9 m波段 硅APD具有接近理想的性能 InGaAs 铟镓砷 InP 铟磷 APD是长波长 1 3 m 1 55 m 波段光纤通信比较理想的光检测器 其优化结构如图所示 光的吸收层用InGaAs材料 它对1 3 m和1 55 m的光具有高的吸收系数 为了避免InGaAs同质结隧道击穿先于雪崩击穿 把雪崩区与吸收区分开 即P N结做在InP窗口层内 鉴于InP材料中空穴离化系数大于电子离化系数 雪崩区选用n型InP n InP与n InGaAs异质界面存在较大价带势垒 易造成光生空穴的陷落 在其间夹入带隙渐变的InGaAsP 铟镓砷磷 过渡区 形成SAGM 分别吸收 分级和倍增 结构 8 特性参数 APD 1 平均雪崩增益G式中 是雪崩增益后输出电流的平均值 是未倍增时的初始光生电流 V是APD的反向偏压 是二极管击穿电压 是APD的串联电阻 m是由APD的材料和结构决定的 一般为2 5 7 实际上雪崩过程是统计过程 并不是每一个光子都经过了同样的放大 所以G只是一个统计平均值 一般在40 100之间 2 响应度式中 为量子效率 等式意义为单位入射光功率所产生的短路光电流 表征光电二极管的转换效率 9 特性参数 APD 3 过剩噪声因子F在APD中 每个光生载流子不会经历相同的倍增过程 具有随机性 这将导致倍增增益的波动 这种波动是额外的倍增噪声的主要根源 通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声 式中 x是过剩噪声指数 其与器件所用材料和制造工艺有关 Si APD的x在0 3 0 5之间 Ge APD的x在0 8 1 0之间 InGaAs APD的x在0 5 0 7之间 10 Si Ge InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数 11 PIN光电二极管和APD光电二极管的比较 PIN二极管特点 结构简单可靠性高 电压低 使用方便量子效率高噪声小带宽较高 APD二极管特点 灵敏度高高增益高电压 结构复杂噪声大 12 应用 APD 载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大 雪崩倍增过程所需的时间越长 因而 雪崩倍增过程要受到 增益 带宽积 的限制 在高雪崩增益情况下 这种限制可能成为影响雪崩光电二极管响应速度的主要因素之一 但在适中的增益下 与其他影响光电二极管响应速度的因素相比 这种限制往往不起主要作用 因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应速度 现代雪崩光电二极管增益 带宽积很高 与真空光电倍增管相比 雪崩光电二极管具有小型 不需要高压电源等优点 因而更适于实际应用 与一般的半导体光电二极管相比 雪崩光电二极管具有灵敏度