APD培训资料解析

PIN光电二极管由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。PIN光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数很大，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。图3.21PIN光电二极管结构抗反射膜光电极(n)P＋N＋E电极APD(Avalanchephotodiodes)雪崩光电二极管(APD)反向偏压U光电流暗电流输出光电流I00UB光电二极管输出电流I和反偏压U的关系示于图3.24。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。图3.24光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系噪声电流和带宽的关系2idfincndi上截止频率下截止频率5.6/ipAHz例子：250incinA根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。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，见图3.25。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。＋－I0NPP(N)光图3.25APDAPD的结构有多种类型，如图3.26示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。在这种类型的结构中，当偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到Π(P)层，一直抵达P+接触层，是一种全耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管(RAPD)具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。电极电极光抗反射膜N＋PP＋(P)E图3.26APD结构图1.由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，并把倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。PIIg0APD的响应度比PIN增加了g倍。)(0WAhfePIP响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，g可以表示为：nBnBURIUUUIg]/)[(11)/(100式中，U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。当U≈UB时，RIo/UB1，上式可简化为210)(PBBnrIUnRIUgg的范围从几十到几百，大小随反向偏压、波长和温度的变化而变化。雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放大作用，所以APD的均方量子噪声电流为〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新的噪声成分。事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。F(1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，x为附加噪声指数。同样，APD暗电流产生的均方噪声电流为〈i2d〉=2eIdBg2+x(3.27)附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关，SiAPDx=0.3~0.5，GeAPDx=0.8~1.0，InGaAsx=0.5~0.7。当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。光电二极管一般性能和应用表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性能。APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。Si-PIN和APD用于短波长(0.85μm)光纤通信系统。InGaAsPIN用于长波长(1.31μm和1.55μm)系统，性能非常稳定，通常把它和使用场效应管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，构成FET-PIN接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGaAs-APD的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几Gb/s，适用于超高速光纤通信系统。APD探测器特性和应用•1、APD探测是主要应用在长距离传输。•2、APD灵敏度高。•3、APD的工作需要高压电路。•4、相对PIN来说APD更容易出现过载损伤。•5、在没有高压的情况下严禁加上大于1mW的光。•6、在95%Vbr下禁止加入大于-3dBm的光。•备注：只要出现这两种情况，就有可能导致APD失效。