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光检测器-雪崩光电二极管(APD)

(1) 基本原理和结构
       雪崩光电二极管(APD)是具有内部增益的光检测器,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
       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晶格碰撞,使晶体中的原子电离,从而激发出新的电子-空穴对,这个过程称为碰撞电离。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,形成雪崩倍增效应,APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的光检测器。
       图9.28*APD拉通型(RAPD)结构。器件和电极接触的P+区和N+区都是重掺杂,在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。当偏压加大到某一值后,耗尽层从N+-P结区一直拉通到P+区。从图中可以看到,电场在N+-P结区分布较强,雪崩区即在这一区域。这一结构的器件具有高效、快速、低噪声的特点。
      此外,器件还可以采用异质结构.进一步提高器件的增益、响应速度及减少过剩噪声。
(2) APD的特性
       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,APD的特性还包括了雪崩倍增特性、噪声特性、温度特性等。
①APD的雪崩倍增因子
APD的雪崩倍增因子(M)定义为
光检测器-雪崩光电二极管(APD)(图1)
式(9-26)中,Ip是APD的输出平均电流;Ipn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之上随机起伏的量,所以上式的定义应理解为统计平均倍增因子。
APD的一种结构及电场分布
图28   APD的一种结构及电场分布
APD的过剩噪声
       APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和过剩噪声。过剩噪声是APD中的主要噪声。
       过剩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雪崩区产生二次电子-空穴对的随机性。这两个过程上不能准确测定的。因此产生了过剩噪声。
响应度和量子效率
       由于APD具有电流增益,所以APD的响应度比PIN的响应度大大提高,有
光检测器-雪崩光电二极管(APD)(图3)
       量子效率只与初级光生载流子数目有关,不涉及倍增问题,故量子效率值总是小于1。
线性饱和
       APD的线性工作范围没有PIN宽,它适宜于检测微弱光信号。当光功率达到几微瓦以上时,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,产生了饱和现象。
击穿电压和暗电流
       APD的暗电流有初级暗电流和倍增暗电流之分,它随着倍增因子的增加而增加;此外还有漏电流.漏电流不经过倍增。
apd暗电流
       APD偏置电压接近击穿电压。击穿电压并非是APD的破坏电压.撤去该电压APD仍能正常工作。
APD的响应速度
       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、载流子在耗尽层的渡越时间以及结电容和负载电阻的RC时间常数等因素。渡越时间的影响相对比较大,其余因素可通过改进器件的结构设计使影响减至很小。
        一般,APD的平均倍增和带宽的乘积为一常数,可见增益和带宽的矛盾。因为要求的倍增越大,载流子产生和渡越的时间就越长,器件的带宽就越窄。