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 Ae

α-= 式中，A ，b ，m 都为与材料有关的系数。 假定n p ααα==，可以推出

01

1D

X M dx α=-⎰

式中, D X 为耗尽层的宽度。上式表明，当

01D

X 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()n

BR 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。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。所以，当

光脉冲信号入射后，产生的光电流脉冲信号很小（如A 点

波形）。当反向偏压升至B 点时，光电流便产生雪崩倍增效

应，这时光电流脉冲信号输出增大到最大（如B 点波形）。

当偏压接近雪崩击穿电压时，雪崩电流维持自身流动，使

暗电流迅速增加，光激发载流子的雪崩放大倍率却减小。

即光电流灵敏度随反向偏压增加而减小，如在C 点处光电

流的脉冲信号减小。换句话说，当反向偏压超过B 点后，

由于暗电流增加的速度更快，使有用的光电流脉冲幅值减

小。所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了压

低暗电流，会把向左移动一些，虽然灵敏度有所降低，但

是暗电流和噪声特性有所改善。

从图中的伏安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当

反向偏压有所较小变化时，光电流将有较大变化。另外，在雪崩过程中PN 结上的反向偏

压容易产生波动，将影响增益的稳定性。所以，在确定工作点后，对偏压的稳定性要求很

高。

噪音

由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向变得更加随机，

所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为散粒噪声。

当雪崩倍增M 倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可以近似由公式：

222I qIM f =∆

计算。其中n 与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3,对于硅管，2.3

由于信号电流按M 倍增大，而噪声按2n M 倍增大。因此，随着M 的增大，噪声电流比信

号电流增大得更快。

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 ,427 ] . 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Matlab 中进行了模拟计算. 模拟结果和实际测量结果吻合较好.

二．等效电路模型

1.PIN —APD 电路模型

为分析方便,采用图1所示 的一维结构,并假定

光由n 区入射,对于p 区入射情况,只需对下面相应的公式做少量修改。现作两点假设①区耗

尽层扩展相对于i 区的宽度可忽略；②i 区电场均匀，n ，p 区内电场为零。对于实际的PIN

器件 i 区大都不是本征的，因为即使不故意掺杂,也含有一定杂质,这样i 区内的电场就不

均匀,因此,以上两点假设对实际器件是否合理是值得斟酌的。不过只要i 区的杂质浓度与其

它两区相比很小,这两点假设是合理的。

以n-i 界面作为研究对象,流过该界面的电流包括两部分,一部分为n 区少子——空穴

的扩散电流，另一部分为i 区电子的漂移电流（i 区中的电子来源包括： 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 区少子——电子扩散进入的电子）。

对于反偏PIN 结构，可采用如下载流子速率方程

n 区： q

I P P dt dP p p n G n --=τ （1） P 区： q

I N N dt dN n n p

G p

--=τ （2） i 区： q

I N N P N N dt dN n nt i nr i i p p i n n Gi i +--++=ττζυζυ （3） q

I P P P N P dt dP p pt i pr i i p p i n n Gi i +--++=ττζυζυ （4） 其中：为n P （p N ）为n （p ）区过剩空穴（电子）总数，i N （i P ）为i 区过剩（电子）

空穴总数，q 为电子电荷，)(n p ττ为n （p ）区空穴（电子）寿命，)(pr nr ττ为i 区电子（空

穴）复合寿命，)(pt nt ττ为i 区电子（空穴）漂移时间,)(G G N P 为入射光在n （p ）区的电

子-空穴对产生率（单位时间产生的电子-空穴对总数）,)(Gi Gi P N =为入射光在i 区的电子

-空穴对产生率,)(n p I I 为n （p ）区少子空穴（电子）扩散电流 ,)(p n υυ为i 区电子（空

穴）漂移速度,)(p n ζζ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 。

关于方程（3），（4）中的雪崩增益项，对于雪崩区电场不均匀的情况（p n ζζ,与空间

位置有关），不能写成这样简单的形式。

对i 区采用电中性条件，i i N P =，方程（4）可省略，方程（3）可写为