雪崩光电二极管APD的噪声特性研究
APD光电二极管特性(精)
APD光电二极管特性
教学环境
多媒体机房
教学
内容
1.APD光电二极管一般性能
2.倍增因子
3.过剩噪声因子
教学
目标
1．了解PIN光电二极管一般性能2．ຫໍສະໝຸດ 解倍增因子3．了解过剩噪声因子
重点
难点
1、掌握查看APD光电二极管的参数表，并根据参数表选型。
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.APD光电二极管一般性能
例举Si材料和InGaAs材料的雪崩光电二极管的参数表格，APD光电二极管的参数
包括光谱响应范围、峰值波长、灵敏度、量子效率、击穿电压、击穿电压温度系数、暗电流、截止波长、结电容、附加噪声指数和增益等。以及两者的特点和应用场合。
2.倍增因子
倍增因子是APD输出光电流和一次光生电流的比值，APD的响应度比PIN增加了g
倍。现有的APD的g值已达几十甚至上百，随反向偏压、波长和温度变化
3.过剩噪声因子
过剩噪声因子F是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。附加噪声指数与器件所用的材料和工艺相关，并例举了硅、锗和铟镓砷几种材料的附加噪声指数。
小结：
课堂总结
雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析
基于InG aAs/InP雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析单光子探测器是能够进行二极管单光子级别探测的器件，逆变器很多光学技术都在追求单光子级别的探测能力，由于这种技术包含对于少数甚至单个光子的探测的可行性的物理过程，因此目前有很多基于这项技术[(8l的实际应用，而且目前量子密钥分发的成功本质上是由于量子通信中的关键器件单光子探测器的单光子探测能力[9]，因此，单光子探测技术被称为量子信息中的关键技术。
除了量子密钥分发，单光子探测还应用于其他光学领域如量子计算〔lOJ和量子物理中一些基本原理的研究[[11]中。
而且单光子探测器还成功的运用于光时域反射计【12-13]，半导体材料研究，天文学应用中的微弱成像，单光子三维雷达成像[[14]，电器甚至还可以在利用漫反射光谱技术的基础上进行人类脑部探测活动[’习。
单光子探测器还可以用于检测快速光信号，如使用时间相关的单光子计数[16-17]的荧光快速衰减的研究。
由于单光子探测器在很多领域的重要应用，已经有很多机构、逆变器实验室在研究该项技术，目前已经产生了很多可用于单光子探测的器件，而一个比较理想的单光子探测器其应该满足一下条件:1)能以相同的效率在不同的通讯波段波长下探测光子，二极管同时在没有光子到达时器件本身产生的噪声应该尽可能小，以保证探测器能有稳定良好的探测性能。
2)整个系统时间抖动应该尽可能小。
3)为了允许高重复频率，单光子探测器件如雪崩二极管的恢复时间也就是死时间应该尽可能短。
4)同时二极管应该具有实用性，这样才有可能用于商业用途。
目前有很多光电器件可以用于单光子探测，比如光电倍增器PMT，雪崩光电二极管和超导单光子探测器。
超导转变边缘传感器由运行在正常和二极管超导状态间狭窄的温度区域中的超导膜构成，具有探测效率高、暗计数率低和时间抖动性小的优点。
电器TES采用超导薄膜作为检测器元件，在TES中，电阻将会根据温度的变化而产生突然变化。
TES偏置电压主要是由于光子入射加热装置导致，通过SQUID放大器读出的信号与入射光子的能力by成正比。
雪崩光电二极管的缺点
雪崩光电二极管的缺点
雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）具有以下缺点：
1. 噪声较高：由于雪崩效应的引入，APD会产生额外的噪声，其中包括增殖噪声和雪崩噪声。
增殖噪声是由于光子在增殖区域内被增殖过程引入的噪声，而雪崩噪声是由于雪崩效应引起的电子雪崩和底部级的噪声。
2. 温度敏感性强：APD的性能会受到环境温度的影响。
具体
而言，温度的变化会引起雪崩区域能带的改变，进而影响增益和噪声特性。
3. 光电效率较低：虽然APD的增益较高，但其光电效率相对
较低。
这是由于雪崩效应所需要的高压偏置，以及本身内部的损耗和反射等原因造成的。
4. 比较脆弱：相比于普通光电二极管，APD在外部机械或热
应力下更容易破裂或损坏，因此在使用和处理时需要特别小心。
5. 成本较高：APD的制造工艺相对复杂，需要高质量的材料
和严格的制作过程，因此其成本较高，使得其在某些应用场景中不太经济实用。
综上所述，虽然雪崩光电二极管具有高增益和高灵敏度的优点，但其也存在噪声较高、温度敏感性强、光电效率较低、易损坏和成本较高等一些缺点。
因此，在具体应用中需要根据实际需求和场景来选择是否使用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。
APD光电二极管的特性测试及应用研究1
四川理工学院毕业设计（论文）APD光电管的特性测试及应用研究学生：XXX学号：XXX专业：物理学班级：2010.1指导教师：XXX四川理工学院理学院二O 一四年六月附件1：四川理工学院毕业设计（论文）任务书四川理工学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：APD光电管的特性测试及应用研究系：物理专业：物理学班级: 2010级1班学号：学生：XXX 指导教师：XXX接受任务时间2014.01.18教研室主任（签名）二级学院院长（签名）1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1) 学习APD光电二极管的工作原理；2）理解APD光电二极管的各项参数指标并测试各项参数如: 暗电流、伏安特性、雪崩电压、光谱特性等；3）设计利用APD光电二极管的相关检测电路并实际制作硬件；4) 撰写毕业论文，参加答辩。
2．指定查阅的主要参考文献及说明[1]Jerald Graeme. 光电二级管及其放大电路设计[M]. 北京:科学出版社. 2012.8[2]史玖德. 光电管与光电倍增管[M]. 1981年[3]黄德修. 半导体光电子学(第二版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2013.1.[4]安毓英. 光电子技术[M].北京:电子工业出版社, 2012.12.[5]王庆有. 光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10.[6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。
注：本表在学生接受任务时下达摘要APD -Avalanche Photodiode称为雪崩光敏二极管，在光电二极管的P-N结上加上反向偏压，则入射的光子被P-N结吸收后就会形成光电流。
雪崩光敏二极管广泛应用于电磁兼容测试、生物发光检测、激光成像系统、激光测距、激光雷达、激光陀螺、红外探测、金属矿石选择等领域。
本文在分析APD工作原理的基础上，在实验室实际测试了APD光电二极管的暗电流、光电流、伏安特性、雪崩电压、光电特性、光谱特性等。
最后设计了一个通过单片机控制并显示的光敏开关电路，在实验室调试成功。
APD探测系统的噪声特性及其影响因素研究
ＬＩＵＨｅｘｉｏｎｇ，ＺＨＯＵＢｉｎｇ，ＧＡＯＹｕｃｈｅｎ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆ ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＡｒｍｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰＬＡ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎｏｉｓｅｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ（ＡＰＤ），ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｃａｕｓｅｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｎｏｉｓｅｉｎａｎＡＰＤｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒｉｎｄａｙｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｆａｃｔｏｒａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅｓｏｆｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｆｔｅｒａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｎｄａｅｒｏｓｏｌ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄＡＰＤ ｎｏｉｓｅａｆｔｅｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅｉｓ３４０Ｖ ａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔｉｓｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｒｏｍ０．０７ｍＷ ｔｏ０．３５ｍＷ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆｎｏｉｓｅｉｓｅｎｈａｎｃｅｄｆｒｏｍ１０８ｍＷ ｔｏ１５０ｍＷ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆＡＰＤｎｏｉｓｅ ｗｉｌｌｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｎａｔｕｒａｌｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅ．Ｗｈｅｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｌｉｇｈｔｉｓ０．３５ｍＷ ａｎｄｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅｉｓｅｎｈａｎｃｅｄｆｒｏｍ ３２０Ｖ ｔｏ３４０Ｖ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆｎｏｉｓｅｉｓｅｎｈａｎｃｅｄｆｒｏｍ ２３ｍＷ ｔｏ １５０ｍＷ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆｎｏｉｓｅｗｉｌｌｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｗｉｌｌｇｒａｄｕａｌｌｙａｃｃｅｌｅｒａｔｅ．Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｐｏｗｅｒｉｎａｓｐｅｃｉｆｉｃｒｅｇｉｏｎｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＡＰＤｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｓａｌｓｏｃｌａｒｉｆｉｅｄ．
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验一、实验目的1、学习掌握APD光电二极管的工作原理2、学习掌握APD光电二极管的基本特性3、掌握APD光电二极管特性测试方法4、了解APD光电二极管的基本应用二、实验内容1、APD光电二极管暗电流测试实验2、APD光电二极管光电流测试实验3、APD光电二极管伏安特性测试实验4、APD光电二极管雪崩电压测试实验5、APD光电二极管光电特性测试实验6、APD光电二极管时间响应特性测试实验7、APD光电二极管光谱特性测试实验三、实验仪器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、光敏电阻及封装组件 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、实验原理雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode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3x105V／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晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。
碰撞电离产生的电子一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。
图6-1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4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。
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。
apd芯片
apd芯片APD芯片是一种高性能、高灵敏度的半导体光电探测器，广泛应用于光通信、光电子、激光雷达、光谱仪等领域。
下面将为您详细介绍APD芯片。
APD芯片即雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode），是一种具备比普通光电二极管更高增益的半导体材料制成的光电探测器。
它的工作原理是通过在PN结上形成电压使其处于反向偏置状态，当入射光子被吸收后，产生的电子与背向电场相互作用，导致电子逐个分裂成更多的载流子，进而形成雪崩效应。
这种增加的载流子能够使信号被放大，增强信号的灵敏度。
APD芯片相对于普通光电二极管有许多优点。
首先，APD芯片具有非常高的增益，使其能够检测弱信号。
APD的增益通常在几十到几百倍之间，相比之下，普通PIN光电二极管的增益通常只有几倍。
这使得APD芯片能够在低光强度环境下工作，具备很高的灵敏度。
其次，APD芯片具有较快的响应速度。
APD芯片通常具备纳秒级的响应速度，能够快速检测和响应光信号，适用于高速通信和高频光信号的检测。
此外，APD芯片还具有较低的噪声特性。
由于雪崩效应的存在，APD芯片能够通过放大信号来减小噪声。
这使得APD芯片能够检测低信噪比的信号，有效提高系统的性能。
APD芯片广泛应用于光通信领域。
由于其高增益和低噪声特性，APD芯片能够实现长距离光通信的传输。
在光纤通信中，APD芯片常作为接收器来放大和检测光信号，以提高传输距离和性能。
同时，APD芯片还被广泛应用于光纤传感器、光电子器件、光谱仪和激光雷达等领域，以满足高灵敏度和高速数据传输的需求。
总结起来，APD芯片是一种具备高增益、快速响应和低噪声特性的光电二极管。
它在光通信、光电子、激光雷达等领域有着广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和需求的增加，APD芯片的性能将继续得到提升，为各个领域的应用提供更好的解决方案。
雪崩光电二极管apd的特性和单光子探测的分析
第三章雪崩光电二极管特性研究于。
‘６０Ｄ－，：ｅ０００００｛兰一图３．１６单光子计数器计数结果（ａ）单光子计数结果（ｂ）不同光强下的计数值和输入光功率的函数曲线Ｆｉｇ．３－１６Ｃｏｕｎｔｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｅｒ（ａ）Ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇ（ｂ）Ｃｏｕｎｔｖａｌｕｅｖｅｒｓｕｓｉｎｐｕｔｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒａｔｖａｒｉｅｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙ光子探测效率可以表示为玎。
：Ⅳ＾×１００％－，＿．２Ｌｓｒ３—２６）％２巴／＾ｙ。
ｌ式中地为有光时由光子产生的计数率，它是光子计数器上的计数值和计数时间（２０ｓ）的比值。
Ｐ。
为输入光功率，是矿为单光子能量。
这样平均光子数为／．ｔ＝Ｏ．１和ｕ＝Ｏ，０３时的光子探测效率分别可计算为ｌ，２９％和２．０９％。
在实验中暗计数率为３．１３Ｘ１０～／ｎｓ。
在以上的单光子计数实验中，我们利用ＥｐｉｔａｘｙＡＰＤ进行光探测，由光子数的泊松分布可知，在平均光子数Ⅳ＝０．１时，单光子概率已经大于９０％；在平均光子数／．ｔ＝Ｏ．０３时，单光子概率大于９７％，实验数据显示了单光子计数测量。
在今后的工作中，通过选用噪声性能好的管子，并采取一定的滤噪措施，使ＡＰＤ工作在最佳温度和最佳电压条件下，高性能的单光子探测是可以实现的。
实现单光子探测的基本要求是，一方面是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度，另一方面是背景噪声要尽可能少。
提高响应灵敏度和降低噪声是两个可：相制约的因素。
在常规通信系统中，最佳信噪比是个好的选择。
响应灵敏度和暗电流都随工作电压增加而增加，但暗电流和背景噪声随工作电压上升更快。
所以，最佳信噪比的工作电压不是响应灵敏度最高的电压。
对于单光予探测，响应灵敏度是主要追求目标，是在获得最大可能的探测灵敏度的条件下设法降低暗电流和背景噪声。
APD实验指导书V1.01
APD光电二极管实验仪实验指导书目录第一章APD光电二极管综合实验仪说明..................... - 2 -二、实验仪说明 (2)1、电子电路部分结构分布........................................ - 2 -2、光通路组件 ................................................. - 3 -第二章 APD光电二极管特性测试......................... - 4 -1、APD光电二极管暗电流测试.................................... - 6 -2、APD光电二极管光电流测试.................................... - 7 -3、APD光电二极管伏安特性...................................... - 7 -4、APD光电二极管雪崩电压测试.................................. - 7 -5、APD光电二极管光照特性...................................... - 8 -6、APD光电二极管时间响应特性测试.............................. - 8 -7、APD光电二极管光谱特性测试.................................. - 9 -第一章 APD光电二极管综合实验仪说明一、产品介绍雪崩光电二极管的特点是高速响应性和放大功能。
雪崩光电二极管(APD)的基片材料可采用硅和锗等材料。
其结构是在n型基片上制作p层，然后在配置上p+层。
一般上部的电极制作成环状，这是考虑到能获得稳定的“雪崩”效应。
外来的光线通过薄的p+层，然后被p层吸收，从而产生了电子和空穴。
由于在p层上存在着105V/cm的电场，因此位于价带的电子被冲击离子化后，产生雪崩倍增效应，电子和空穴不断产生。
APD实验指导书V
APD光电二极管实验仪实验指导书目录第一章APD光电二极管综合实验仪说明..................... - 2 -二、实验仪说明 (2)1、电子电路部分结构分布........................................ - 2 -2、光通路组件 ................................................. - 3 -第二章 APD光电二极管特性测试......................... - 4 -1、APD光电二极管暗电流测试.................................... - 6 -2、APD光电二极管光电流测试.................................... - 7 -3、APD光电二极管伏安特性...................................... - 7 -4、APD光电二极管雪崩电压测试.................................. - 7 -5、APD光电二极管光照特性...................................... - 8 -6、APD光电二极管时间响应特性测试.............................. - 8 -7、APD光电二极管光谱特性测试.................................. - 9 -第一章 APD光电二极管综合实验仪说明一、产品介绍雪崩光电二极管的特点是高速响应性和放大功能。
雪崩光电二极管(APD)的基片材料可采用硅和锗等材料。
其结构是在n型基片上制作p层，然后在配置上p+层。
一般上部的电极制作成环状，这是考虑到能获得稳定的“雪崩”效应。
外来的光线通过薄的p+层，然后被p层吸收，从而产生了电子和空穴。
由于在p层上存在着105V/cm的电场，因此位于价带的电子被冲击离子化后，产生雪崩倍增效应，电子和空穴不断产生。
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。
Байду номын сангаас
G R pinG
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。
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。 x
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” 。
雪崩光电二极管结构 anode
雪崩光电二极管结构 anode雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种特殊的光电二极管，具有比普通光电二极管更高的增益和更低的噪声。
它是一种基于雪崩击穿效应的光电器件，具有很高的灵敏度和快速的响应速度，被广泛应用于光通信、光测量和光谱分析等领域。
APD的结构与普通光电二极管类似，主要包括P型和N型半导体材料构成的P-N结。
与普通光电二极管不同的是，APD的P-N结区域加有高电场，以实现雪崩击穿效应。
当光子进入APD时，会引发电子-空穴对的产生，然后受到高电场的作用，产生雪崩效应，使电子-空穴对数量成倍增加。
这种增加可以通过外加电压来控制，从而实现对光信号的放大。
APD的增益率（gain）是指在雪崩效应下，每个光子产生的电子-空穴对数量。
与普通光电二极管相比，APD的增益率要高得多，通常可达到100倍以上。
这使得APD可以检测非常微弱的光信号，提高了光电转换效率。
除了高增益率外，APD还具有较低的噪声水平。
噪声主要分为两种：热噪声和暗电流噪声。
热噪声是由于温度引起的杂散电流，可以通过降低工作温度来减小。
而暗电流噪声是指在没有光照射的情况下，由于材料本身的缺陷引起的电流波动。
由于APD的高增益特性，可以有效抵消暗电流噪声，从而提高信噪比。
APD的响应速度也较快，通常在纳秒级别。
这使得APD可以用于高速信号检测和快速数据传输。
在光通信领域，APD被广泛应用于光纤通信系统中的接收端，用于接收和放大光信号。
在光测量和光谱分析领域，APD也可用于检测和分析微弱的光信号，提高测量和分析的精度和灵敏度。
然而，APD也存在一些缺点。
首先，APD的工作电压较高，通常在几十伏到几百伏之间，这使得APD的驱动电路复杂。
其次，APD 对光信号的线性响应范围较窄，超过该范围就会产生非线性失真。
此外，APD对温度的敏感性较高，工作温度的变化会对其性能产生影响。
雪崩光电二极管是一种具有高增益、低噪声和快速响应的光电器件。
apd信噪比计算
apd信噪比计算APD（Avalanche Photodiode）信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）是用来评估光电二极管在光信号与噪声之间的相对强度的一个重要指标。
在通信、光电检测、光通信等领域中，APD信噪比的高低直接影响到系统的性能和可靠性。
本文将从APD的工作原理、信号和噪声的来源以及如何计算APD信噪比等方面进行探讨。
我们来了解一下APD的工作原理。
APD是一种特殊的光电二极管，其内部有一种称为“雪崩效应”的过程。
当入射光子的能量大于APD的带隙能量时，光电子在电场的作用下会发生倍增，形成电子雪崩。
这种雪崩效应使得APD具有较高的增益，从而提高了信号的强度。
信号和噪声是APD信噪比的两个主要组成部分。
信号是指光信号在APD中产生的电流，它与入射光子的能量和光子流密度有关。
APD 的增益使得信号得以放大，提高了信号的强度。
噪声则是指在光电二极管中引入的各种干扰信号，包括热噪声、暗电流噪声、光电子雪崩噪声等。
这些噪声源会降低信号的强度，影响到信号的可靠性和准确性。
在计算APD信噪比时，需要考虑信号和噪声的强度。
信号强度可以通过测量APD的输出电流来获取，而噪声的强度则需要通过实验或模拟计算得到。
APD信噪比的计算公式为SNR = S/N，其中S表示信号的强度，N表示噪声的强度。
一般来说，信号越强、噪声越小，APD的信噪比就越高，系统的性能也就越好。
提高APD信噪比的方法有很多。
首先，可以采用优质的材料制备APD，以减小材料本身引入的噪声。
其次，可以通过优化APD的结构和工艺参数，提高APD的增益和响应速度，从而增强信号的强度。
此外，还可以采用前端放大电路或滤波电路等技术手段来抑制噪声的干扰，提高信号的质量。
在实际应用中，根据具体的需求和限制条件，选择合适的方法来提高APD信噪比。
总结起来，APD信噪比是评估APD性能的重要指标，直接影响到系统的可靠性和性能。
通过理解APD的工作原理，了解信号和噪声的来源，以及采取适当的方法来提高信噪比，可以有效地提升系统的性能。
(整理)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：0/M I I =式中I 为倍增输出电流，0I 为倍增前的输出电流。
雪崩倍增系数M 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n α 和空穴电离率p α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α与电场强度E J 近似有以下关系：()m b E Aeα-= 式中，A ，b ，m 都为与材料有关的系数。
假定n p ααα==，可以推出011DX M dx α=-⎰式中, D X 为耗尽层的宽度。
上式表明，当01DX dx α→⎰时，M →∞。
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M →∞时，PN 结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压BR U .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M值较小，M 随反向偏压U 的变化可用经验公式近似表示为11()nBR M U U =- 式中，指数n 与PN 结得结构有关。
对N P +结，2n ≈;对P N +结，4n ≈。
由上式可见，当BR U U →时，M →∞，PN 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。
雪崩光电二极管 参数
雪崩光电二极管参数引言雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种特殊的光电二极管，具有高增益、高灵敏度和低噪声等优点。
APD的参数是评估其性能和特性的重要指标，本文将对雪崩光电二极管的参数进行详细介绍和分析。
一、增益增益是衡量APD性能的重要指标之一。
增益指的是在光子被吸收后产生的载流子被倍增的程度。
在正常工作模式下，APD通过雪崩效应将载流子倍增，从而提高灵敏度。
增益可以通过控制工作电压来调节，一般来说，工作电压越高，增益越大。
二、暗电流暗电流是在没有入射光照射下产生的载流子漂移引起的漏电流。
暗电流主要由热激发和本征载流子引起。
暗电流对于提高APD性能非常重要，在设计和制造过程中需要尽量降低暗电流水平。
三、探测效率探测效率是衡量APD对入射光信号的响应能力的指标。
探测效率是指入射光信号被APD吸收并产生电流的比例。
探测效率可以通过APD的结构和材料来优化，例如通过优化吸收层的厚度和材料来提高探测效率。
四、响应时间响应时间是指APD对入射光信号进行响应并产生电流所需的时间。
响应时间是衡量APD动态性能的重要参数，通常以上升时间和下降时间来衡量。
较短的响应时间可以提高APD对高速光信号的检测能力。
五、噪声噪声是影响APD性能和灵敏度的重要因素之一。
噪声主要包括热噪声、暗电流噪声和雪崩噪声等。
热噪声主要由温度引起，暗电流噪声主要由载流子引起，雪崩噪声主要由雪崩效应引起。
降低各种类型的噪声可以提高APD性能和灵敏度。
六、线性范围线性范围是指在该范围内，输入光功率与APD输出电流之间的关系是线性的。
线性范围是APD正常工作的重要指标之一，过大或过小的线性范围都会影响APD的性能。
七、工作电压工作电压是指APD正常工作所需的电压。
工作电压是根据APD的结构、材料和应用需求来确定的。
通常，为了获得较高增益和较低噪声，需要较高的工作电压。
结论雪崩光电二极管具有高增益、高灵敏度和低噪声等优点，广泛应用于光通信、光测量等领域。
雪崩光电二极管 参数
雪崩光电二极管参数摘要：1.雪崩光电二极管概述2.雪崩光电二极管的重要参数3.雪崩光电二极管的应用4.雪崩光电二极管与其他光检测器的比较正文：一、雪崩光电二极管概述雪崩光电二极管（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。
它具有高增益、低噪声和高灵敏度的特点，相较于普通光电二极管，具有更高的信噪比、快速响应、低暗电流和高灵敏度等优点。
其波长响应范围通常在200 至1150nm 范围内。
二、雪崩光电二极管的重要参数1.反向偏压：雪崩光电二极管需要在反向偏压下工作，通常在硅材料中反向偏置电压为100-200V。
通过加大反向偏压，可以产生雪崩现象，即光电流成倍地激增。
2.增益：雪崩光电二极管的增益是指在反向偏压下，光电流与光强之间的比例关系。
一般情况下，反向电压越高，增益就越大。
3.响应速度：雪崩光电二极管具有较快的响应速度，能够在纳秒级别检测到光信号。
4.暗电流：暗电流是指在无光照情况下，光电二极管的漏电流。
雪崩光电二极管的暗电流较低，有助于提高信噪比。
三、雪崩光电二极管的应用雪崩光电二极管广泛应用于激光通信、光检测、光纤网络、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成为这些领域中理想的光检测元件。
四、雪崩光电二极管与其他光检测器的比较与光电二极管（P-N 结型）相比，雪崩光电二极管具有更高的增益和更快的响应速度。
与光电倍增管（如光电三极管）相比，雪崩光电二极管具有更高的灵敏度和较低的噪声。
然而，雪崩光电二极管的缺点是其工作电压较高，可能需要更高的驱动电路。
总之，雪崩光电二极管作为一种高性能的光检测器，具有广泛的应用前景。
APD 接收组件的特性研究
APD+接收组件的特性研究河北工业大学硕士学位论文APD 接收组件的特性研究姓名：李艳华申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：陈国鹰2010-12河北工业大学硕士学位论文APD接收组件的特性研究摘要雪崩光电二极管组件具有内部增益、宽带宽的优点，作为接收机中的核心器件常被用在高速光纤通信系统中。
雪崩光电二极管组件的性能直接决定着接收机的性能，影响着通信距离、中继站的个数以及信号传输过程中的误码个数，因此有必要对其进行研究分析。
文章首先介绍了雪崩光电二极管（APD）光接收组件的国内外发展现况以及论文的研究意义，阐述了APD的结构、工作原理及种类，并分析说明了组件中应用的放大器种类及其优缺点；然后详细讨论了APD接收组件特征参数及其影响因素，理论上分析了直流光、暗电流对组件的灵敏度的影响，并搭建了接收组件性能测试系统，以便对接收组件性能进行测试分析；最后运用搭建的测试系统设计并进行了温度实验，老化实验以及灵敏度实验。
温度实验结果表明，温度对击穿电压的影响成线性变化，影响因子大约是0.054V/℃，对暗电流的影响成指数变化。
老化实验结果表明，器件在老化前后的电参数和光参数没有明显变化，器件的可靠性高。
通过灵敏度实验我们得出，暗电流越小，组件的灵敏度值越小。
经实验测得当负载电阻在49.8?时实现了输出电阻和传输线的匹配，灵敏度值为-32.01dBm,组件能探测到的光功率值为0.63uw。
关键词：雪崩光电二极管,灵敏度,温度,噪声iAPD接收组件的特性研究ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS OF APDRECEIVING ASSEMBLYABSTRACTAPD receiving assembly is often used as a key device of the receiver in high-speed optical fiber communication systems due to its advantages of internal gain and wide bandwidth. Performances of APD directly determine the performances of the receiver, such as the length of the communication distance, the number of relay stations and the size of the bit error rate of signal transmission. Thus the analysis of the characteristic of APD receiving assembly is necessary. Firstly, the current development situation of APD optical receiver assembly at home and abroad was introduced, as well as the background and significance of this study. The structures, working-principle and types of APD were described, and the advantages and disadvantages of different trans-impedance amplifiers were analyzed too; Secondly, the specific parameters and their influence factors of the APD receiving assembly werediscussed in detail. The influence of irradiance and dark current on the sensitivity of APD was analyzed theoretically. Furthermore, we designed and built the testing system for testing the characteristics of the receiving assembly. Finally, the temperature test, accelerated aging test and sensitivity test were carried out base on the testing system. The results of temperature test showed that the influence of temperature on the breakdown voltage was linear with an influence factor of about 0.054V/℃, whereas the influence of temperature on the dark current presented exponential relation. The result of accelerated aging test showed that the electrical and optical parameters of the device presented no significant changes before and after the aging test, thus the reliability of the device was very good. Through the sensitivity test, we found that the smaller the dark current, the lower the value of sensitivity. The results of the sensitivity test showed that the single-ended output resistance matching the transmission line resistance when the load resistance was 49.8?, the value of the sensitivity of device is -32.01dBm, and the light-power that could be detected was 0.63uw.KEY WORDS: avalanche photodiode, sensitivity, temperature, noiseii河北工业大学硕士学位论文第一章绪论§1-1光纤通信的发展用光导纤维来传递载有信号的光波系统便是光纤通信，根据光通信的分类，其属于有线通信的范围，具有传输频带宽，抗干扰能力强以及传输量大的优点，可用于大容量国防干线通信和野战通信。
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电光与控制 ,2012,19(3):69-73. [3] 占建明 , 汶德胜 , 王宏 , 等 . 基于光电二极管的前置放大电路噪
（2）
式中：iRD 为由并联电阻；RD 近似为热噪声电流；iSD 为由 暗电流引起的散粒噪声电流；iSP 表示由光电流引起的散粒噪 声电流。对于 APD 来讲，因为设置了倍增机构，所以总的散 粒噪声电流由倍增的散粒电流和没有倍增的散粒电流两部分 组成。
3 APD 的过剩噪声 电子、空穴和原子一旦发生冲突就会产生新的电子和空
信号处理。
为基板内部发生的电流；B 为带宽；M 为倍增率；F 为过剩噪 声系数；Ids 为表面的漏电流。
电子的离子化率 (α) 和空穴的离子化率 (β) 之比称为 离子化率比 [k=α/β] 过剩噪声系数 F 可以用 k 和 M 表示。
（4） 公式（4）表示电子注入雪崩层的过剩噪声系数，若是空 穴注入雪崩层的过剩噪声系数，需要置换为 1/k 的形式。 APD 的噪声是伴随着倍增产生的，若倍增率增加则过剩噪 声增加，总的噪声也随之增大 [3]。信号也随着倍增率的增加 而增大，这样就存在一个使信噪比 S/N 最大的倍增率。APD 的 S/N 计算如下：
（5）
式中：K、T 和 RL 分别表示波尔茨曼常数、绝对温度和负 载电阻。求最大值并忽略 Ids，求出的最大倍增率 Opt M 计算 如下。
（6）
4 结束语 对于 PIN PD，若希望降低热噪声就需要加大负载电阻，
这样就会导致响应速度变慢。为此，热噪声难以变小，导致了 在许多情况下，最低接收电平受到热噪声制约。而对于 APD， 在散粒噪声达到同等程度的热噪声之前，能够在不增加总的 噪声的条件下，成倍地增大信号。这样就能够在确保响应速 度的前提下，改善信噪比。
关键词：雪崩光电二极管；光电二极管、噪声特性
中图分类号：TN364+.2
文献标志码：A
文章编号：1672-3872（2017）22-0067-01
1 PD 热噪声 光电二极管 PD 必须外接负载电阻或运放等设备才能检测
出光电流，这些设备中，电子也在运动。这种运动只要温度 不是绝对零度，就会在热作用下发生不规则变化。这样，作 为电子整体运动的平均，观察到的电流是不规则变动的，这 种不规则变动产生的噪声称为热噪声 [1]。如果忽略 APD 内部 电阻的影响，只考虑外围电路的负载 RL（等效负载），则热 噪声电流 ij-APD 可以计算如下：
穴，致使电流不规则变化从而形成噪声，这种噪声称为过剩 噪声。过剩噪声与材料有关，Si 材料的过剩噪声远小于 Ge 材 料的过剩噪声，因此 APD 的噪声要大于 PIN 型 PD 的噪声 [2]。 如果将 APD 的过剩噪声也归入到散粒噪声之中，则 APD 的散 粒噪声 In 计算如下：
（3） 式中：q 我电子的电荷量；IP 为 M=1 时的光生电流；Idg —————————————— 作者简介：薛凌云（1989-），男，陕西安康人，硕士，研究方向：
声分析 [J]. 半导体技术 ,2011,36(4):304-306+315.
（收稿日期：2017-10-15）
（1） 式中：K 为波尔茨曼常数；T 为绝对温度；B 为噪声带宽。
2 PD 散粒噪声 由于载流子的随机运动而导致电流的波动形成了散粒噪
声。散粒噪声和热噪声的起因都是源于电子和空穴的不规则 运动，无论何种光电二极管都会发生，并且，并不限于光电 二极管，与光毫无关系的所有半导体设备都会产生，它们是 难以消除和减小的噪声。对于 PIN 型 PD，散粒噪声包含起因 于光生电流的散粒噪声和起因于暗电流的散离噪声两部分。
2017 年 11 月下
Mechanized Equipment
机械装备 67
雪崩光电二极管 APD 的噪声特性研究
薛凌云
（广东科技学院，广东 东莞 523083）
电流成倍增长的高速、高灵敏度的光电二极管，在可见光通信中接收端设
计中起着举足轻重的作用。降低噪声可提高 APD 的性能，为了提高信号接收的可靠性，文章对 APD 的噪声特性进行了分析研究。