PIN雪崩光电二极管建模及其特性的研究
实验二 PIN光电二极管的静态特性
PIN光电二极管的静态特性实验目的1．了解PIN光电二极管的工作原理；2．能根据测试数据分析PIN管的基本静态特性；3．掌握PIN静态特性测试方法；4．掌握测试仪表中光源的基本参数的设置和使用方法；5．掌握测P-N结正负极的方法。
实验要求1、测量光电二极管PN结的极性；2、测量光电二极管的击穿电压和暗电流；3、测量光电二极管的响应度；4、测量光电二极管的光谱响应特性。
实验仪器1、PIN光电二极管一只2、光功率计一只3、PIN光电二极管静态测试实验箱一台4、光衰减器一台5、光纤跳线三根6、万用表一只实验原理1、PIN光电二级管的工作原理PIN光电二极管是在P-N结之间加了一个本征层I层，I层是一个接近本征的、掺杂很低的N区。
在这种结构中，零电场的和区非常薄，而低掺杂的I区很厚，耗尽区几乎占据了整个PN结，从而使光子在零电场区被吸收的可能性很小，而在耗尽区里被充分吸收，故PIN光电二极管又称耗尽层光电二极管，这是它比一般光电二极管的优越之处。
为抑制噪声，PIN光电二极管加反向电压（电源正极接二极管N区），则外加电场和内部电场区内的电场方向相同。
当有光照射二极管时，并且外加光子能量大于禁带宽度Eg，那么价带上的电子就会吸收光子能量跃迁到导带上，从而形成电子—空穴对，在耗尽区即在本征层内的电子空穴对，在强电场的作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，从而形成光生电流。
光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而光信号变成了电信号。
2、响应度实验原理响应度表征了光电二极管的能量转换效率，它是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性。
它定义为在给定波长的光照射下，光电二极管的输出平均电流与入射的光功率平均值之比。
其单位为A/W或uA/uW，其表达式为：R=I/P其中I为光电流的平均值，P为入射光功率的平均值。
一般PIN的响应度在0.3~0.7uA/uW 范围内。
3、暗电流的测量实验原理无光照射时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，称此电流为PIN的暗电流。
雪崩光电二极管(APD)
结构——APD
3、SAGM型APD P-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0.6～0.9μm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（1.3μm，1.55μm ）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 1.3μm和1.55μm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。
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)。
雪崩光电二极管特点
雪崩光电二极管特点雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种用于光电转换的器件，它具有一些独特的特点和优势。
本文将对雪崩光电二极管的特点进行详细解释，并在标题中心扩展下进行描述。
1. 雪崩放大效应：雪崩光电二极管通过雪崩放大效应来增强光电转换的效率。
当光子入射到APD中时，产生的电子被高电场加速，撞击到晶格中的原子，使其激发出更多的载流子。
这种级联的雪崩效应可以将光子能量转化为电流信号，并使其放大，从而提高光电转换的灵敏度。
2. 高增益：与传统的光电二极管相比，雪崩光电二极管具有更高的增益。
其内部的雪崩效应可以使电子数目成倍增加，从而大幅度提高输出信号的强度。
这使得雪崩光电二极管在弱光条件下具有更高的信噪比和探测灵敏度，可以探测到较弱的光信号。
3. 宽波长响应范围：雪崩光电二极管的波长响应范围较宽，可以覆盖可见光、红外光等多个波段。
这使得它在不同应用领域具有广泛的适用性。
例如，可以用于光通信、光谱分析、光电检测等领域。
4. 低噪声：雪崩光电二极管具有较低的噪声特性，这是因为它在雪崩放大过程中产生的噪声被级联放大后被抑制。
这使得它在高速光通信和高精度测量等应用中具有优势。
5. 高速响应：由于雪崩放大过程的快速响应特性，雪崩光电二极管具有较高的响应速度。
它可以快速转换光信号为电流信号，适用于高速光通信和高速数据传输等应用。
6. 低工作电压：相比于光电二极管，雪崩光电二极管的工作电压较低。
这使得它在功耗上具有优势，可以降低系统的能耗。
7. 较小尺寸：雪崩光电二极管具有较小的尺寸，重量轻，体积小。
这使得它在集成光学系统和微型设备中的应用更加方便。
雪崩光电二极管具有雪崩放大效应、高增益、宽波长响应范围、低噪声、高速响应、低工作电压和较小尺寸等特点。
这些特点使得它在光通信、光谱分析、光电检测等领域具有广泛的应用前景。
未来随着技术的进一步发展，相信雪崩光电二极管将在更多领域展现出其独特的优势和潜力。
PIN光电二极管综合实验
PIN光电二极管综合实验仪GCPIN-B实验指导书(V1.0)武汉光驰科技有限公司WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD目录第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明 ...................... - 3 -一、产品介绍 (3)二、实验仪说明 (3)1、电子电路部分结构分布............................... - 3 -2、光通路组件......................................... - 4 - 第二章实验指南.......................................... - 5 -一、实验目的 (5)二、实验内容 (5)三、实验仪器 (5)四、实验原理 (6)五、实验准备 (8)六、实验步骤 (8)1、PIN光电二极管暗电流测试 ........................... - 8 -2、PIN光电二极管光电流测试 ........................... - 9 -3、PIN光电二极管光照特性 ............................. - 9 -4、PIN光电二极管伏安特性 ............................ - 10 -5、PIN光电二极管时间响应特性测试 .................... - 10 -6、PIN光电二极管光谱特性测试 ........................ - 11 -第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明一、产品介绍对于以高速响应为目标的光电二极管来说，未来减少p-n节的电容，在p与n之间设计一个i层的高阻抗层结构，即在n型硅片上制作一层低掺杂的高阻层，即i层（本征层）在该层上在形成p层。
其工作原理：来自p层外侧的入射光，主要由i层吸收，从而产生空穴和电子。
使用元件时要外加反向偏压，以使空穴朝p层移动，而电子朝n层移动，再由两电极流到外电路。
简述雪崩光电二极管的雪崩倍增效应
简述雪崩光电二极管的雪崩倍增效应雪崩光电二极管是一种特殊的光电二极管，具有雪崩倍增效应。
雪崩倍增效应是指在高电压作用下，光电二极管中的载流子会经历雪崩增加的过程，从而使电流放大数倍。
本文将就雪崩光电二极管的雪崩倍增效应进行详细的描述。
我们来了解一下光电二极管的基本原理。
光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它由一个PN结构组成，当光照射到PN结上时，光子的能量被吸收，导致电子从价带跃迁到导带，形成电流。
这种光电效应使得光电二极管在光电转换领域具有重要的应用价值。
而雪崩光电二极管则是在光电二极管的基础上引入了雪崩倍增效应。
雪崩倍增效应的实现依赖于PN结的击穿电压。
当PN结受到高电压的作用，电场强度会加大，导致电子受到更强的加速作用，进而激发更多的电子从价带跃迁到导带。
这种级联的过程会不断放大电流，使得光电二极管的灵敏度和增益得到提高。
雪崩倍增效应的实现需要满足一定的条件。
首先，PN结的击穿电压必须大于工作电压，以确保电子可以受到足够的加速作用。
其次，为了提高效应的可控性，通常会在PN结上加上一个反向偏置电压，使得击穿电压更容易达到。
此外，还需要控制击穿电流的大小，以避免PN结过载。
雪崩光电二极管在实际应用中具有广泛的用途。
首先，它可以用于光通信系统中的接收器，用于接收光信号并将其转换为电信号。
由于雪崩倍增效应的存在，光电二极管可以放大微弱的光信号，提高接收器的灵敏度和信噪比。
其次，雪崩光电二极管还可以用于光谱分析仪和光子计数器等仪器设备中，用于检测和测量光信号的强度和能量。
然而，雪崩倍增效应也存在一些问题和挑战。
首先，由于雪崩倍增效应需要较高的工作电压和较大的电流，因此在设计和制造过程中需要考虑电源和散热等问题。
其次，雪崩倍增效应会引入噪声，影响信号的质量和可靠性。
因此，需要采取一些措施来降低噪声水平，提高信号的清晰度和准确性。
雪崩光电二极管的雪崩倍增效应是一种重要的光电效应，可以实现电流的倍增。
雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析
南京理工大学硕士学位论文雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析姓名：张际青申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：汪贵华20070601２．４ＡＰＤ的工作模式当加在ＡＰＤ两端的电压高于雪崩击穿电压时（１／ｐＡＰＤＴ＿作在盖革模式），ＡＰＤ将会产生自身持续的电流，雪崩现象不能自然停止，为保ｈ正ＡＰＤ不被损坏，必须采取措施迅速淬灭雪崩，并且在淬灭完成后，还要使ＡＰＤ尽快恢复到等待状态，为探测下一个入射光子做好准备。
正是外控电路保证了ＡＰＤ对后续光子的探测，因此，不仅是ＡＰＤ器件本身的设计而且ＡＰＤ＃ｐ控电路的设计在单光子探测和微光探测系统中都是十分重要的，外控抑制电路必须实现以下几个功能啪１：１）感应雪崩电流的前沿；２）产生与雪崩上升沿同步的标准输出脉冲；３）雪崩到来时降低偏簧电压，使之低于雪崩电压，从而抑制雪崩；４）重建偏置电压到雪崩电压之上，以探测下一个光子。
工作于盖革模式下的雪崩光电二极管简称为ＧＭ—ＡＰＤ，ＧＭ－ＡＰＤ的工作方式一般有三种１２１－２３Ｊ：无源模式、有源模式和门控模式。
２．４．１无源模式当ＡＰＤ两端所加的电压ｕ高于雪崩击穿电压％时，入射光子触发ＡＰＤ发生雪崩，限流电阻Ｒ抑制引起的雪崩电流。
ＡＰＤ无源工作方式【２ｌ】如图２．２２所示。
Ｒｌ的值一般为２００艇Ｉ，当当电流增大，ａ点电位升高，使得ＡＰＤ两端的电压低于其雪崩击穿电压以，ＡＰＤ将会重新充电直到它两端的电压恢复到原来的值，ＡＰＤ的信号ｉＩ｛ｂ点引出。
图２．２２ＡＰＤ无源工作方式在ＡＰＤ重新充电的过程中，ＡＰＤ光予灵敏度降低，这个再次充电的时间（称为死时间）为１到２ｕｓ，这就限制了ＡＰＤ的总体计数率，这个时间不稳定且难于控制，过脉冲调制也是不可避免的一方面，是暗电流的主要来源，这种无源抑制工作方式电路虽然比较简单，但基于以上各点，这种方式在很多情况下并不适用。
２．４．２有源模式无源抑制的实现方式虽然简单，但是它的恢复时间较长，限制了ＡＰＤ探测器的动态范围和总体性能，因此在很多情况下ＡＰＤ探测器工作在有源抑制方式下，如图２．２３所示，这种方式通过外围电路迅速抑制雪崩并将ＡＰＤ恢复到初始状态。
雪崩光电二极管(APD)
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。
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Si，Ge，InGaAs雪崩光电二极管的通 用工作特性参数
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PIN光电二极管和APD光电二极管 的比较
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结构——APD
3、SAGM型APD
P-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0.6～0.9μm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（1.3μm，1.55μm ）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 1.3μm和1.55μm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。
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高、速度快 等优点，特别当系统带宽比较大时，能使系统的探测性能获 得大的改善。
因此，雪崩光电二极管主要应用与激光测距仪、共焦显 微镜检查、视频扫描成像仪、高速分析仪器、自由空间通信 、紫外线传感、分布式温度传感器等领域。
雪崩光电二极管的特性
雪崩光电二极管工作特性及等效电路模型一．工作特性雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件，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进行高速定向运动，具很高动能的光生电子或空穴与晶格院子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子---空穴对；二次电子---空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又是晶格原子电离产生新的电子----空穴对，此过程像“雪崩”似的继续下去。
电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数定义为：式中为倍增输出电流，为倍增前的输出电流。
雪崩倍增系数与碰撞电离率有密切关系，碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子----空穴对数目。
实际上电子电离率和空穴电离率是不完全一样的，他们都与电场强度有密切关系。
由实验确定，电离率与电场强度J近似有以下关系：式中，，，都为与材料有关的系数。
假定，可以推出式中,为耗尽层的宽度。
上式表明，当时，。
因此称上式为发生雪崩击穿的条件。
其物理意义是：在电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子----空穴对，就发生雪崩击穿现象。
当时，结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压.实验发现，在反向偏压略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这时的值较小，随反向偏压的变化可用经验公式近似表示为式中，指数与结得结构有关。
对结，;对结，。
由上式可见，当时，，结将发生击穿。
适当调节雪崩光电二极管的工作偏压，便可得到较大的倍增系数。
目前，雪崩光电二极管的偏压分为低压和高压两种，低压在几十伏左右，高压达几百伏。
雪崩光电二极管的倍增系数可达几百倍，甚至数千倍。
雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线如图所示。
从图中可看到，当工作偏压增加时，输出亮电流（即光电流和暗电流之和）按指数显示增加。
当在偏压较低时，不产生雪崩过程，即无光电流倍增。
雪崩光电二极管
雪崩光电二极管（APD）1. 简介雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种特殊类型的光电二极管，通过利用光电效应将光能转化为电能。
与常规光电二极管相比，APD具有更高的增益和更低的噪声特性，使其在光通信、光电探测、光谱分析等领域中被广泛应用。
本文将介绍雪崩光电二极管的工作原理、特性以及应用领域等内容。
2. 工作原理APD的工作原理基于光电效应和雪崩效应。
光电效应：当光照射到APD的光敏区域时，光子激发了其中的电子，使其获得足够的能量越过禁带，成为自由电子。
这些自由电子在电场的作用下会向电极方向移动，产生电流。
雪崩效应：在雪崩区域，APD的结构被特别设计，使电子在电场的加速下能获得更高的能量，足够激发带负电量的离子。
这些离子再次被电场加速，撞击晶体结构，从而释放出更多的电子，形成一次雪崩放大效应。
这样，通过雪崩效应，每个光子都可以导致多个电子的释放，从而使APD具有较高的增益。
3. 特性APD具有以下几个主要特性：3.1 增益APD具有极高的增益特性，通常在100倍到1000倍以上。
这使得APD能够检测非常弱的光信号，并提供更高的信号到噪声比。
高增益也意味着APD可以克服光电二极管的缺点，如光元件的电子热噪声和放大噪声。
3.2 噪声APD的噪声水平相对较低，主要由雪崩噪声和暗电流噪声构成。
雪崩噪声是由于雪崩效应引起的电荷起伏。
暗电流噪声是与温度相关的内部电流，可以通过降低工作温度来减少。
3.3 响应速度APD的响应速度较高，可以达到几百兆赫兹的范围。
这使得APD适合于高速通信和高频率测量应用。
3.4 饱和功率APD具有饱和功率的概念，也称为最大接收功率。
这是指当光强度超过一定阈值时，APD的增益将不再增加，并导致其输出信号畸变。
因此，在设计APD应用时，需要注意光功率的控制，以避免饱和和信号畸变。
4. 应用领域APD在以下领域中得到了广泛应用：4.1 光通信APD可以提供高增益和低噪声的特性，使其成为光通信系统中常用的接收器元件。
PIN光电二极管、雪崩光电二极管特性及应用
PIN光电二极管、雪崩光电二极管特性及应用PIN光电二极管、雪崩光电二极管的特性及应用摘要:PIN光电二极管、雪崩光电二极管均为基于内部光电效应的两种光电探测器件。
本文分别详细介绍了PIN PD、APD的结构、原理,同时列举了PIN光电二极管特性参数，包括截止波长、量子效率、响应度、带宽、伏安特性曲线、噪声等，以及雪崩光电二极管特性参数，包括过剩噪声因子、增益带宽积等。
通过对PIN光电二极管、雪崩光电二极管的比较，明确了它们各自的适用范围。
最后简单介绍了两种光电二极管在光纤通信、激光测距、长距离激光引信和光传感器等方面的实际应用。
关键词:PIN光电二极管、雪崩光电二极管、特性、应用.Abstract:PIN photodiode and avalanche photodiode are both photo-detectors basedon internal photoelectric effect. This essay expounds the structure, principle and indetail respectively, it also list characteristic parameters of PIN PD， including edge wavelength, quantum efficiency，responsivity，bandwidth，current voltage characteristic diagram，noise，and APD’s as well，including excessive noise factor ，gain bandwidth product. With a comparison between PIN PD and APD, we can definetheir own scope of application clearly. At last, it introduces the practical application ofoptic communication, laser ranging ，long-distance these two photodiode in fiber-laser fuze and optical sensor in brief .Key words:PIN PD，APD，character，application.1.结构与原理(1)PIN光电二极管结构与原理普通的二极管由PN结组成，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，量子效率低。
实验四PIN光电二极管特性测试
实验四PIN光电⼆极管特性测试实验四PIN光电⼆极管特性测试⼀、实验⽬的1、学习掌握PIN光电⼆极管的⼯作原理2、学习掌握PIN光电⼆极管的基本特性3、掌握PIN光电⼆极管特性测试的⽅法4、了解PIN光电⼆极管的基本应⽤⼆、实验内容1、PIN光电⼆极管暗电流测试实验2、PIN光电⼆极管光电流测试实验3、PIN光电⼆极管伏安特性测试实验4、PIN光电⼆极管光电特性测试实验5、PIN光电⼆极管时间响应特性测试实验6、PIN光电⼆极管光谱特性测试实验三、实验器材1、光电探测综合实验仪1个2、光通路组件1套3、光照度计1台4、PIN 光电⼆极管及封装组件1套5、2#迭插头对（红⾊，50cm）10根6、2#迭插头对（⿊⾊，50cm）10根7、三相电源线1根8、实验指导书1本9、⽰波器1台四、实验原理光电探测器PIN管的静态特性测量是指PIN光电⼆极管在⽆光照时的P-N结正负极、击穿电压、暗电流Id以及在有光照的情况下的输⼊光功率和输出电流的关系（或者响应度），光谱响应特性的测量。
图5-1 PIN光电⼆极管的结构和它在反向偏压下的电场分布图5-1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：LP/LN=DN/DP其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN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DN<LP<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。
光电二极管(PIN)的频率响应特性分析
PC10-6-TO5光电二极管（PIN）的频率响应特性分析PC10-6-T05光电二极管是德国First Sensor公司生产的一种可见-近红外PIN光电二极管，因其稳定性好、高分流电阻阻抗、高响应度、低暗电流等优良特性，而被广泛应用于功率计，分光光度计，荧光探测，气体分析，气体颗粒物计数等光电产品的设计中三个参数作为电路仿真参数光电二极管的等效电路其中Rd是二极管的内阻，也称暗电阻；Rc是体电阻和电极接触电阻，一般很小，cj是结电容，根据上述提供的参数，有cj=100pf，根据暗电流和上升时间来确定其他参数，：0.2nA@10V和上升时间ns 2000@850nm 0V 50Ω由于反偏压工作，暗电阻很大电流受控源PC10-6-TO5光电二极管（PIN）资料产品编号PC10-6-TO5Low Dark Current(Id)低暗电流系列光电二极管，适用更高精度的探测。
波长范围(nm) 400～1100 峰值波长(nm) 900材料Si 光敏面积(mm2) 10尺寸(mm) Φ3.57封装模式TO最高反向工作电压：10(v)出光面特征：圆灯LED封装：加色散射封装(D)发光强度角分布：标准型发光颜色：白色功率特性：大功率暗电流：0.2nA@10V结电容：100pf@0V等效噪声功率 1.5*10-14w/Hz上升时间ns 2000@850nm 0V 50Ω响应度（A/W）0.64@900nm最高工作电压：10——50(v)应用方向：分析仪器，水质分析，光纤通讯产品说明：特点：响应度高，暗电流低，体积小，重量轻，使用方便，工作稳定可靠用途：广泛用于微光探测，粉尘探测，仪器，仪表，光功率计等可见－近红外PIN光电二极管波长响应范围在340nm~1100nm特性：稳定性好，高分流电阻阻抗，高响应度，低暗电流应用：功率计，分光光度计，荧光探测，气体分析，气体颗粒物计数等厂商：德国Silicon Sensor(现更名First Sensor)，。
PIN雪崩光电二极管建模及其特性的研究_范辉
第30卷 第2期2007年4月电子器件Ch in es e Jo u rnal Of Electro n Devi cesVol.30 No.2Apr.2007Study on Model and Characteristic of PIN Avalanche PhotodiodesFA N H ui,L U Yu -tian(S hangh ai I nstitute of op tics and Fine M e chanics,Ch ine se A cad emy of S ciences ,S hang hai 201800,China)Abstract:Based on the character istic of PIN avalanche pho to diodes and carrier rate equations,a m athematic model is presented.T he model can express the quantities and conversio n of photon and electro n by some hy po thesis and approx imation.T he simulation analy sis by Matlab ag rees w ell w ith the ex perim ent data.This model can used for A C,DC,transient analysis and w ith o ther m odel of OEIC.Key words:av alanche pho to diodes;mathematic m odel;M atlab;OEIC EEACC :4250PIN 雪崩光电二极管建模及其特性的研究范 辉,陆雨田(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)收稿日期:2006-04-27作者简介:范 辉(1975-),男,博士,主要从事电力电子器件及光电子器件技术的研究,fanhui7518@.摘 要:针对PIN 雪崩光电二极管结构的特殊性,以载流子速率方程为基础,进行适当的假设和拟合,将光、电子量和转化过程完全用数学模型表示,并在M atlab 中进行了模拟计算,其结果与实验数据符合较好.该模型可用于对PIN -A PD 进行直流、交流、瞬态等分析和性能预测.并可与其它OEIC 模型接口使用.关键词:雪崩光电二极管;数学模型;M atlab;光电集成回路中图分类号:TN364.2文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2007)02-0391-04光电探测器是光纤通信和光电探测系统中光信号转换的关键器件,是光电集成电路(OEIC)接收机的重要组成部分.随着集成电路计算机辅助设计技术的发展,通过建立PIN 雪崩光电二极管(APD)的数学模型,并利用计算机对其特性进行分析和研究成为OEIC 设计中的重要组成部分.目前PIN-APD 的等效电路模型,通常在PSPICE 中模拟实现[1,2,4-7].这种方法能较好的进行直流、交流、瞬态分析.但无法跟踪反映PIN-APD 工作过程中载流子和光子的变化,同时建模过程中一些虚拟器件的存在和计算使模型特性出现误差.本文通过求解反偏PIN 结构中各区过剩载流子速率方程,建立数学模型,并对模型参数和器件进行了修正,在M atlab 中进行了模拟计算.模拟结果和实际测量结果吻合较好.1 PIN-APD 数学模型为分析方便,采用图1所示的一维结构.图1 P IN -A PD 一维结构图考虑光由N 区入射.并假设:①:I 区完全耗尽,即N,P 区耗尽层扩展相对于I 区的宽度可忽略;②:I 区电场均匀,N,P 区电场为零.要模拟PIN-APD 的光电特性,需要研究各区载流子在电场及输入光作用下的变化及运动情况.设为反偏PIN 结构,则各区过剩载流子运动情况计算如下:1.1 N 区空穴扩散电流根据漂移-扩散理论,N 区中的少子主要是扩散运动,相应的稳态连续性方程为[8]:D p d2p nd x2-p n-p n0p+G'p=0(1)其中:D p=L2p/ p为N区空穴扩散系数,L p为空穴的扩散长度, p为空穴寿命;p n为空穴的非平衡浓度;p n0为空穴的平衡浓度,且p n0=n2n/N D,其中,n n、N D分别为N区本征载流子密度和净施主密度;G'p为光照产生率.设入射的光子流在硅片内按指数规律衰减:(x)= 0e- n x(2)式中, 0为硅片表面入射的光子流,且 0= P in(1-R)A hv,其中P in为入射光功率;R为入射面反射率;A为入射光照射面积;hv为光子能量; n为N 区光功率为吸收系数.则可得:G'p=-dd x=P in(1-R) nA hve-( n x)(3)利用边界条件x=0,p n=p n(0);x=W n,p n= 0,其中W n为N区的宽度.可解得p n的稳态解.又过剩空穴总数和扩散电流分别为:p n=A W n0(p n-p n0)d x(4)I p=-qD pd p nd x x=w n(5)联立(4)(5)可求得I p=qP nC n0R pd+ p P in+I p0(6)式中:C n0为引入的归一化常数R pd=R p[ch(W n/L p)-1] I p0=qP n0L p[ch(W n/L p)+1] W n p sh(W n/L p)n=q(1-R)hv n L2p(1- 2n L2p)[ch(W n/L p)+1]exp(- n W n)L p sh(W n/L p)+exp(- n W n)-1n L2p[ch(W n/L p)-1]+ n exp(- n W n)同时对于反偏的PIN结构,N区过剩载流子速率方程为:d P n d t =G p-P np-I pq(7)式中:P n为N区过剩空穴总数; p为N区空穴寿命;G p=P in(1-R)hv[1-exp(- n W n)],为入射光在N区的电子-空穴对产生率(单位时间产生的电子-空穴对总数.与式(6)联立可求得I p=R p(-P in+ p P in V op+I p0V op) [ex p(-R p+R pdR p R pd C n0P in)-1]V op(R p+R pd)+ p P in+I p0(8)式中:V op=hvq(1-R)[1-ex p(- n W n)];R p=pC n01.2 P区电子扩散电流与N区相似,其相应的稳态连续性方程为:D n d2n pd x2-n p-n p0n+G'n=0(9)其中,D n=L2n/ n为P区电子扩散系数,L n为电子的扩散长度, n为电子寿命;n p为电子的非平衡浓度;n p0为电子的平衡浓度,且n p0=n2p/N A,其中,n p、N A分别为P区本征载流子密度和净受主密度;G'N为P区电子产生率,且G'n=P in(1-R) pA hv exp( n W n+ i W i)ex p(- p x)(10)式中, p为P区光功率吸收系数;W i为I区的宽度.采用边界条件x=0,n p=0;x=W p,n p=n p(0),其中为P区的宽度.可解得的稳态解又过剩电子总数与扩散电流分别为:N p=A W p0(n p-n p0)d x(11)I n=-qD nd n pd x x=0(12)联立(11)(12)可得:I n=V nR nd+ n P in+I n0(13)式中:R nd=R n[ch(W p/L n)-1]I n0=qP p0L n[ch(W p/L n)+1]W p n sh(W p/L n)n=q(1-R)exp(- n W n+ i W i)hv p L2n(1- 2p L2n)[ch(W p/L n)+1]L n sh(W p/L n)+exp(- p W p)-1p L2n[ch(W p/L n)-1]+ p392电 子 器 件第30卷又P 区过剩载流子速率方程为:d N p d t =G n -N p n -I nq(14)式中N p 为P 区过剩电子总数; n 为P 区电子寿命;G n 为入射光在P 区的电子-空穴对产生率,且G n =P in (1-R) phv exp (n W n + i W i )[1-ex p (- p W p )]与式(13)联立可得:I n =R n (-P in + n P in V on +I n0V on ) [exp (-R n +R ndR n R nd C n 0P in )-1]V on (R n +R nd )+ p P in +I n0(15)1.3 I 区电子的漂移电流对I 区取电中性条件,即P i =N i ,则速率方程为[9]:d N i d t =G i +( n n + p p )N i -N i nr -N i nt +I nq (16)式中N i 为I 区过剩电子总数; n ( p )为I 区电子(空穴)漂移速度; n ( p )为I 区电子(空穴)碰撞离化率,即一个电子(空穴)在单位长度内碰撞离化产生的电子-空穴对数;G i 为入射光在I 区的电子-空穴对产生率; nr ( pr )为I 区电子(空穴)复合寿命.其中:G i =P in (1-R)hv exp ( n W n )[1-exp (- i W i )]nt =W i n , Pt =W ip对于固定电场下的载流子速度公式修正为[10-11]:n (F)= n F + n (F/F th )41+(F /F th )4p (F)=p F 1+( p F/ p )其中F 为I 区固定电场,F =V j +V T I /W I ;W j为外加偏压;V BI 为二极管内建势; n 、 p 分别电子、空穴的漂移速率.电子和空穴的迁移率 n 、 p 由具体扩散工艺确定.又取碰撞离化率拟合公式[3](F)=a n ex p [-(b n F)C n] (F)=a p ex p [-(b p F)Cp ]其中,a n ,b n ,a p ,b p ,c n ,c p 为拟合参数.解式(16)可得:I i =qN iC n 0R nt=R nr (P in +V oi I n )[exp (V inpC n 0R n r R nt) P in -1]V oi V inp(17)式中V oi =hv exp (n W n )q(1-R)[1-ex p (-i W i )]R nr = nr C n0,R nt =n tC n0V inp =C n0R nr R nt ( n n + p p )-R nr -R nt以N -I 界面作为研究对象,同时考虑寄生电容和寄生电阻的作用,得流过该界面的电流为:I j =I p +I i +I d +I C T (18)式中,I p 为N 区少数载流子(空穴)的扩散电流;I i 为I 区电子的漂移电流,包括:I 区光生电子、空穴碰撞电离产生的电子,电子碰撞电离产生的电子,P 区少数载流子(电子)扩散进入的电子;I CT 为流过寄生电容的电流,拟合计算为:I CT =2sin(500C T t -0.6 ),C T =C s +C j :C s 为寄生电容,C j = 0 s A /W i ,其中, s 为材料相介电常数;I d 为隧穿电流[12]与其他寄生漏电流之和,可写为:I d =1A V j (V j +V bi )W i exp (- 2W i (V j +V b i ))+V jR d 1=q3n n /E g 4 2h 2, 2= n n E g qh(19)其中m n 为电子的有效质量, 为隧穿漏电流参数,E g 为带隙.2 模拟计算结果为验证模型,对一种In 0.45Ga 0.55As/InP PIN -APD 的暗电流特性和脉冲响应特性进行了模拟,其模拟参数主要取自[13-14]如表(1)表1 PIN -APD 模型参数M o del par ameterv alue M o del par ameter v alue M odel par amet erv alue A / m 22500 p /cm s -1107N d /cm -35 10182-318393第2期范 辉,陆雨田:PIN 雪崩光电二极管建模及其特性的研究续表1M o del par ameterv alue M o del par ameterv alue M odel par amet erv alue W i / m 25n /ns 0.5R d / 1014W p / m 2 1.88 nr /ns 2C s /pF 0.01 / m 0.6328D p /cm 2 s -16R s / 1R0.3D n /cm 2 s -1100m n /m 00.041 n /cm-150a n /cm -1 5.7 1060.9 p /cm-150b n /V cm -11.7 106n /cm 2 V -1s -18000 i /cm -127c n1 sn /cm s -1107V BI /V 1.56 p /cm -15.3 106F th /V cm -13500n n /cm -3 1.1 107b p /V cm -12.17 106p /cm 2 V -1s -1300n A P /cm -3 1.1 107c p1E g /eV0.75s12根据表(1)中的参数,由公式(18),在M atlab 中编程,计算,并绘制波形图.图(2)为PIN-APD 管的暗电流特性.在计算暗电流时,由于当反偏压较高时,隧穿电流起主要作用,所以式(19)中的 取1.图中,实线为模拟结果,"*"为文献报道的实验结果.从图中可见该器件的击穿电压为80.5V.图2 暗电流与反向偏压的关系图(3)为脉冲响应特性,输入信号为Gauss 形脉冲,脉冲FWH M 为10ps,峰值功率为1m W,偏压为50V,取样电阻为50 ,光由P 区入射.图中,实线为模拟结果,"*"为文献报道的实验结果.由图可见,模型的计算结果与实验数据基本一致.图3 脉冲响应特性3 结论本文针对PIN 雪崩光电二极管结构的特殊性,以载流子速率方程为基础,通过适当的假设和拟合,把工作过程中的光、电子量及其转化过程完全用数学模型表述.在M atlab 中对该模型进行了计算、模拟,其结果与实验数据吻合较好.表明该模型能比较好地反应器件的特性和预测器件的性能.该模型可用于直流、交流、瞬态等分析.并具有一定的通用性,可以与其它OEIC 器件接口使用.参考文献:[1] Caverly Robet H.M ichael Qu inn.A SPICE M odel for Simu la -ting the Im pedance -Frequen cy Characteris tics of H igh Frequen -cy PIN Sw itch ing Diodes [C ]//Cir cuits and Sy stems ,1999,IS CAS'99Proceedings of the 1999IEEE Internation al Sympos-i um on:Volum e 6,30M ay -2June 1999,6:282-285.[2] S trollo A G M Napoli E.Impr oved PIN Diode Circu it M odelw ith Automatic Parameter Extraction T ech nique [C ]//Cir -cuits,Devices an d Systems,IEEE Proceedings:Dec.1997:329-334.[3] Tsang W T.S emicon ductor and s emim etals[M ].Volume 22,Lightwave Comm unications T echnology,Part D,Photodetec -tors.ACADE M IC Press,Inc,1995:Ch apter1.[4] Chen Weiyou.Liu S hiyong.PIN Avalanche Ph otodiodes M odelfor Circuit S imulation [J ].Quantum Electronics.Dec.1996,IEE E J ou rnal of,32(12):2105-2111.[5] Buiatti G M.Cappelluti F Ghione G.Pow er PiN Diode M odelfor PS PICE Simu lations [C]//Applied Pow er E lectr on ics C on -fer ence and Exposition,2005.APEC 2005.T w entieth Ann ual IEE E,Volu me 3,6-10M arch 2005,3:1911-1916.[6] Desai N R H oang K V Son ek G J.Applications of PSPICES imulation S oftw are to the Study of Optoelectronic Integrated Circuits and Devices [J ].Education,IEEE T rans action s on ,Nov.1993,36(4):357-362.[7] Strollo A G M.S PICE M odeling of Pow er PIN Diode Usin gAsymptotic W aveform E valuation[C]//Pow er Electr onics Spe -cialists Conference,1996.PES C '96Record.,27th Ann ual IEE E,Volu me 1,23-27June 1996,1:44-49.[8] George G.Kru sius J P.Dynam ic Res ponse of Hig h -S peed PIN(下转第397页)394电 子 器 件第30卷上讲,我们认为应该是保护层(SIN)阻挡了可能存在于介质中的可动离子对浮栅中写入电子的影响,这一点待进一步分析证实.图8 有无叠栅保护的比较总之,如图9所示,我们通过选择介质(ONO)工艺条件,选择合适单元尺寸,增加(SIN)保护,优化单元侧面工艺等,存储单元在250 高温24h 加速老化后写入阈电压漂移小于10%,嵌入式OT P 产品(64k*8bit)可靠性评估存储器的数据保持能力大于10a.图9 单元数据保持能力的改进3 结论合适的多晶间介质(ONO)工艺条件及合适的单元尺寸,适当的单元侧面(SIN )保护工艺等,对于存储单元在250 高温24h 加速老化后写入阈电压漂移有不同程度的改善.所有这些优化工艺条件的组合使得一次编程(OTP)存储器的数据保持能力能够满足可靠性要求.参考文献:[1] Sharma Ashok K.S emicon ductor M em ories T echnology,T es -ting,and Reliability[M ],IE EE Press,1997:103,270.[2] Brow n William D,Br ew er J oe E.Nonvolatile Semicondu ctorM emory T echnology[M ],IEEE,Pres s 1998:PP25,147.[3] Shiner R E ,et al.Data Retention in EPROM s [M ].Pr os ,1980:363-373.[4] M ielk e N R.New EPROM data los s m ech anis ms [C ]//Pr os ,IRPS ,1983:106-113.[5] Wu K.et al.A model for EPROM Intrinsic Charge LossT hrough Oxide -Nitride -Ox ide (ONO )Inter Poly Dielectric [C]//Pros IRPS,1990:145-149.[6] Pan C.Physical Oringin of Long -T erm Charge Loss in Flotin gGate EPROM w ith an Interpoly Oxide -Nitride -Oxide Stacked Dielectric[C]//Pros IRPS,1991:51-53.(上接第394页)and Sch ottky -Barrier Photodiode L ayers to Nonuniform Optical Illumination[J].J Lightw ave Techn ology,1994,12(8):1387-1393.[9] Gaul L C laass en M .Pulsed high -Pow er Operation of p +pn n +-Avalanch e Diodes Near Avalanche Resonance for mm -Wave Os -cillator s[J].IEEE T ran,Electron Devices,1994,41(8):1310-1318.[10] S ano E.A device M odel for M eta-l S emicon ductor -M etal Ph o -todetectors and its Application s to Optoelectronic Integrated Circuit S imulation[J].IEEE Trans,1990,ED -37(9):1964-1968.[11] Barners J J.Lomax R J.Haddad G I,Finite -Element Simu la -tion of GaAs M E SFET's with Lateral Doping Profiles and Sub -micron Gates[J ].IEEE T ran Elecdtron Devices,1976,23(9):1042-1048.[12] Forrest S R.Performance of In x Ga 1-x A s y P 1-y Photodiodes withDar k Curr ent Limited b y Diffus ion ,Generation Recomb ina -tion,an d Tu nneling[J].IEE E J Quan tu m Electronecs,1981,17(2):217-226.[13] Pears all T P.GaIn AsP Alloy Semiconductor s[M ].John W-iley &Sons,1982.[14] 高艳霞郭水保.PIN 功率二极管模型参数辨识[J].上海大学学报:自然科学版-2005年4期.[15] L eheny R F.Nahory R E.Pollack M A,Beebe E D.de Win -ter J C.Characterization of In 0.53Ga 0.47As Ph otodiodes Ex -hib iting Low Dark Current and Low Jun ction Capacitan ce[J].IEEE J Quantum Electronics ,1981,17(2):227-231.397第2期房世林,李月影等:一次编程(OT P)存储器的数据保持特性工艺研究。
雪崩效应光电二极管
雪崩效应光电二极管光电二极管是一种电子元件，它可以将光能转化为电能，被广泛应用于光电检测、通信、测量等领域。
其中，雪崩效应光电二极管是一种常用的检测器件，它利用雪崩效应放大光电信号，提高检测的精度和灵敏度。
一、光电二极管的基本原理光电二极管是一种半导体器件，由PN结、金属电极和包装层组成。
PN结的一侧存在光敏材料，当光照射到光敏材料上时，它会激发出一定的电子和空穴，促使PN结产生电场，形成电势差。
电势差越大，二极管的导通电流就越大。
因此，光电二极管可以利用光信号产生的电信号大小作为有效检测结果。
当光电二极管中电压达到一定程度时，由于高能电子加速、撞击晶格，会促使晶格中的电子进入激活态，从而引起电子的二次发射效应。
这种电子的二次发射效应会导致电流放大，形成雪崩效应。
雪崩效应是一种激发半导体晶体结构的电离效应，当电压增加到某一临界值时，电子与晶格之间相互作用将会引发一系列电离过程，从而产生大量的电子和空穴。
这些电子和空穴会不断地撞击晶格，使得更多的电子和空穴被激发，形成一种爆炸式的增长。
因此，雪崩效应光电二极管可以将光信号产生的电信号放大数倍，提高检测的精度和灵敏度。
同时，它还可以在无源区产生大的电压，在光滑日变换或者光功率变化下，保持输出电压的稳定性，有效避免温度变化或其他外部干扰对检测结果的影响。
雪崩效应光电二极管被广泛应用于通信、测量、粒子物理学和核物理学等领域。
在通信领域，雪崩效应光电二极管被应用于光纤通信系统中的光接收端，可以将光信号转换为电信号，放大信号并抑制噪声，提高信号传输的品质。
在测量领域，雪崩效应光电二极管可用于高速数据采集系统、光功率谱仪、激光测距仪等领域，能够快速、准确地测量物体的尺寸、距离、速度等信息。
在粒子物理学和核物理学领域，雪崩效应光电二极管用于高能物质，在宇宙射线、核实验、粒子探测器等领域，能够快速、高效地检测高能粒子和辐射等信息。
总之，雪崩效应光电二极管凭借其高精度、高灵敏度、高速度等优点，已成为现代光电检测技术中不可或缺的检测器件之一。
PIN光电二极管和雪崩倍增光电二极管
只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，才 能产生光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在着一个
上限光波长λc
c
hc Eg
1.24 / Eg
（4-1）
可见，λc称为器件的截止波长。
截止波长大于入射光波长 选择检测器
合适的吸收系数
响应度和量子效率
响应度和量子效率是表示光电二极管能量转换效率的参数。 若入射光功率为P0时产生的光电流为Ip，则响应度R0定义为：
APD响应度和量子效率
类型 PIN APD
响应度R R
G*R
量子效率η <1 <1
PIN和APD性能比较
制造工艺 成本
灵敏度 动态范围 偏置电压 暗电流 温度敏感性 适用范围
PIN
APD
简单
复杂
低
高
差
比PIN高3~10dB
稍差（典型15~25dB） 大（典型25~35dB）
低
高
小
较大
小
大（需温度补偿）
量子效率定义为
R0 I p / P0
（4-2）
光电转换产生的电子 空穴对数 I p / e I p hf（4-3）
入射光子数
P0 / hf P0 e
式中e为电子电量，λ为光波长，h为普朗克常数，c为光速。
响应速度
响应速度（响应时间/截止频率）的决定因素： • 光检测电路的上升时间 • 载流子在耗尽层中的渡越时间 • 耗尽区外载流子的扩散时间
中低速中短距离传输， 中高速中长距离传输
或高速率短距离传输
APD结构图
APD倍增因子g和平均倍增
倍增因子是APD内部的电流增益系数。倍增因子g定义为 APD雪崩放大后的输出电流IM和初始光生电流Ip的比值。
雪崩光电二极管 参数
雪崩光电二极管参数摘要：一、雪崩光电二极管的概念与原理二、雪崩光电二极管的重要参数三、雪崩光电二极管的应用领域四、雪崩光电二极管的发展趋势与展望正文：一、雪崩光电二极管的概念与原理雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD），是一种具有内部增益的特殊光电二极管，能够将光信号转化为电信号。
雪崩光电二极管与普通光电二极管相比，具有更高的信噪比、快速响应、低暗电流和高灵敏度等特点。
其波长响应范围通常在200 至1150nm 范围内。
雪崩光电二极管的工作原理是在p-n 结加上反向偏压，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现象，即光电流成倍地激增，因此这种二极管被称为雪崩光电二极管。
雪崩过程只发生在几微米的距离上，光电流就能被放大很多倍。
因此，雪崩光电二极管可以用作非常灵敏的探测器，只需要较少的电子信号放大，因此电子噪声也比较小。
二、雪崩光电二极管的重要参数1.灵敏度：雪崩光电二极管的灵敏度是指在给定波长和反向偏压下，产生雪崩效应所需的最小光功率。
灵敏度越高，说明雪崩光电二极管对光的探测能力越强。
2.响应速度：雪崩光电二极管的响应速度是指在给定波长和反向偏压下，光电流从零增长到其峰值所需的时间。
响应速度越快，说明雪崩光电二极管对光的探测能力越强。
3.暗电流：暗电流是指在给定反向偏压下，没有光照射时，雪崩光电二极管中的电流。
暗电流越小，说明雪崩光电二极管的噪声性能越好。
4.工作电压：工作电压是指使雪崩光电二极管产生雪崩效应所需的最小反向偏压。
工作电压越高，说明雪崩光电二极管的增益越大。
三、雪崩光电二极管的应用领域雪崩光电二极管广泛应用于激光通信、光纤网络、光传感器、生物医学、环境监测等领域。
其高灵敏度和快速响应特性使其在激光通信和光纤网络中具有广泛的应用前景。
四、雪崩光电二极管的发展趋势与展望随着科技的不断发展，雪崩光电二极管在灵敏度、响应速度、暗电流和工作电压等方面还将取得更大的突破。
雪崩光电二极管的特性
雪崩光电二极管的介绍及等效电路模拟摘要PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。
当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加。
就是反向电击穿。
它分雪崩击穿和齐纳击穿(隧道击穿)。
雪崩击穿是PN结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快，利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管。
雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。
新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。
1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。
物理12 张常龙雪崩光电二极管的介绍及等效电路模拟[文档副标题]二〇一五年十月辽宁科技大学理学院辽宁省鞍山市千山中路185号雪崩光电二极管的介绍及等效电路模拟摘要：PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。
当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加。
就是反向电击穿。
它分雪崩击穿和齐纳击穿(隧道击穿)。
雪崩击穿是PN结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快，利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管。
雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。
新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。
1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。
关键词：雪崩二极管等效电路1.雪崩二极管的介绍雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。
其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+型结构，P+一面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的P区和I区）。
P-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。
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+αnexp(-
αnW n)
同时对于反偏的 PIN 结构 , N 区过剩载流子速率方程为 :
dPn dt
=Gp
-
Pn τp
-
Ip q
(7)
式中 :Pn 为 N 区过剩空穴总数 ;τp 为 N 区空穴寿命 ;Gp
=
P
in(1 hv
R)[ 1 - exp(- αn W n)]
, 为入射光在
N 区的电子 - 空穴对产生率(单位时间产生的电子 - 空穴对总数. 与式(6)联立可求得
;R
为入射面反
射率 ;A 为入射光照射面积 ;hv 为光子能量 ;αn 为 N
区光功率为吸收系数. 则可得 :
G'p =-
d d
Υx =P
in
(1 A
-R hv
)αn e-
(αn ×x)
(3)
利用边界条件 x =0 , pn =pn (0);x =W n , pn =
0 , 其中 W n 为 N 区的宽度. 可解得 pn 的稳态解.
Rnr
= τnr Cn0
, Rnt
= τnt Cn0
生的电子 - 空穴对数 ;Gi 为入射光在 I 区的电子 -
Vinp =Cn0 Rnr R nt(υn ξn +υp ξp ) - Rnr - Rnt
空穴对产生率 ;τnr (τpr )为 I 区电子(空穴)复合寿命.
以 N - I 界面作为研究对象 , 同时考虑寄生电
+αp
(11) (12)
(13)
第2期
范 辉 , 陆雨田 :PIN 雪崩光电二极管建模及其特性的研究
393
又 P 区过剩载流子速率方程为 :
d Np dt
=Gn
-
Np τn
-
In q
(14)
式中 N p 为 P 区过剩电子总数 ;τn 为 P 区电子寿命 ;Gn 为入射光在 P 区的电子 - 空穴对产生率 , 且
υp(F)
=
1
μp F +(μp F
/υp)
Ij = Ip +Ii +Id +ICT
(18)
式中 , Ip 为 N 区少数载 流子(空穴)的 扩散电
流 ;Ii 为 I 区电子的漂移电流 , 包括 :I 区光生电子 、
空穴碰撞电离产生的电子 , 电子碰撞电离产生的电
子 , P 区少数载流子(电子)扩散进入的电子 ;ICT 为
Ip
Rp(=
Pin
+βp Pin Vop
+Ip0 V op ) Vop (Rp
[ ex p(+Rpd )
Rp +Rpd R p Rpd Cn0
式中 :V op
=q(1 -
hv R)[ 1 - ex p(-
αn W n)]
;Rp
=Cτnp0
Pin) - 1] +βp Pin +Ip0
(8)
1. 2 P 区电子扩散电流
(15)
1. 3 I 区电子的漂移电流
Ii
=
qN i Cn0 Rnt
=
对 I 区取电中性条件 , 即 Pi =N i , 则速 率方程 为[ 9] :
d Ni dt
=Gi
+(υn ξn +υp ξp )Ni -
Ni τnr
-
Ni τnt
+In q
(16)
式中 N i 为 I 区过剩电子总数 ;υn (υp )为 I 区电
流过寄生电容的电流 , 拟合计算为 :
ICT =2sin(500CT t - 0. 6π), CT =Cs +Cj :Cs 为寄生 电容 , Cj =ε0 εs A /W i , 其中 , εs 为材料相介电常数 ;I d 为隧穿电流[ 12] 与其他寄生漏电流之和 , 可写为 :
中 , nn 、N D 分别为 N 区本征载流子密度和净施主密
度 ;G'p 为光照产生率.
设入射的光子流在硅片内按指数规律衰减 :
Υ(x) = Υ0 e-αnx
(2)
式中 , Υ0 为 硅 片 表 面 入 射 的 光 子 流 , 且 Υ0 =
Pin (1 A
- R) hv
, 其中
Pin 为入射光功率
又过剩空穴总数和扩散电流分别为 :
∫ pn = A W n (pn - pn0)d x 0
(4)
Ip
=-
qD p
dpn dx
x =wn
(5)
联立(4)(5)可求得
Ip
= qP n Cn0 Rpd
+βp Pin +I p0
式中 :Cn0 为引入的归一化常数
(6)
R pd
= Rp[ ch(Wn / L p) - 1]
In =RVnnd +βn Pin +In0
式中 :
Rnd =R n[ ch(W p / Ln )- 1]
In0
=qP
p0 L n[ ch(Wp / W p τn sh(Wp
L n) +1] / L n)
[ ch(Wp / Ln) +1] Ln sh(Wp / Ln)
+αp Lex2n[p(ch-(WαppW/ pL)n)--11]
与 N 区相似 , 其相应的稳态连续性方程为 :
Dn
d2 np dx2
-
np
- np0 τn
+G'n =0
(9)
其中 , Dn =L2n / τn 为 P 区电子 扩散系数 , Ln 为
电子的扩散长度 , τn 为电子寿命 ;np 为电子 的非平
衡浓度 ;np0 为电子的平衡浓 度 , 且 np0 =n2p / N A , 其
其中 :
容和寄生电阻的作用 , 得流过该界面的电流为 :
Gi
=hv
P
in (1 - R) exp(αn W
n)[
1
-
exp(-
αi W i)]
τnt
=
Wi υn
,
τPt
=
Wi υp
对于固 定电 场下 的载 流子 速度 公式 修 正 为 : [ 10-11]
υn(F)
=
μn F 1
+υn (F /Fth )4 +(F / Fth )4
子(空穴)漂移速度 ;ξn(ξp)为 I 区电子(空穴)碰撞离
化率 , 即一个电子(空穴)在单位长度内碰撞离化产
Rnr(Pin +Voi In)[ exp(Cn0VRinnpr Rnt) Voi Vinp
Pin - 1]
(17)
式中
Voi
= q(1 -
hv exp(αn W n) R)[ 1 - exp(- αiW i)]
Gn
= hv
Pin (1 - R)αp exp(αn W n +αiW
i)[
1
-
ex p(-
αp
W p)]
与式(13)联立可得 :
In
Rn (=
Pin
+βn Pin Von
+I n0 Von) V on(Rn
[ exp(+R nd)
R n +Rnd Rn R nd Cn0
Pin) - 1] +βp Pin +In0
中 , np 、N A 分别为 P 区本征载流子密度和净受主密
度 ;G'N 为 P 区电子产生率 , 且
G'n = A
hv
P
in (1 - R)αp exp(αn W n +αiW
i)e
x
p(-
αp x) (10)
式中 , αp 为 P 区光功率吸收系数 ;W i 为 I 区的
宽度.
采用边界条件 x =0 , np =0 ;x =W p , np =np(0),
PIN 雪崩光电二极管建模及其特性的研究
范 辉 , 陆雨田
(中国科学院上海光学精密 机械研究所 , 上海 201800)
摘 要 :针对 PIN 雪崩光电二极管结构的特殊性 , 以载流子速率方程为基础 , 进行适当的假设和拟合 , 将 光 、电 子量和转化 过
程完全用数学模型表示 , 并在 M atlab 中进行了模 拟计 算 , 其结 果与实 验数 据符合 较好. 该 模型可 用于 对 PIN - A PD 进行 直
F A N Hui , L U Y u-ti an
(S hangh ai Inst it ute o f op ti cs an d Fi ne Mechani cs , Ch inese Aca dem y o f S ci ences , S han ghai 201800 , Ch ina)
Abstract :Based on the charact eri stic of PIN avalanche pho to diodes and carrier rate equations , a m athematic model is presented. T he model can express the quanti ties and co nversio n of pho to n and elect ro n by some hy po thesis and appro ximati on. T he simulatio n analy sis by Mat lab ag rees w ell w it h the expe riment dat a. T his model can used f or AC , DC , t ransient analysi s and wi th o ther m odel of OEIC. Key words:av alanche pho to diode s ;mathematic m odel ;M atlab ;OEIC EEACC :4 250