雪崩光电二极管(APD)-文档资料
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3
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)。
PIN二极管特点： •结构简单
•可靠性高，电压低，使 用方便
•量子效率高 •噪声小 •带宽较高
APD二极管特点： •灵敏度高 •高增益 •高电压，结构复杂 •噪声大
12
应用——APD
载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程 所需的时间越长。因而，雪崩倍增过程要受到“增益-带宽积 ”的限制。在高雪崩增益情况下,这种限制可能成为影响雪崩 光电二极管响应速度的主要因素之一。但在适中的增益下， 与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往 不起主要作用，因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应 速度。现代雪崩光电二极管增益-带宽积很高。
8
特性参数——APD
1、平均雪崩增益G
G
IM Ip
(1V
1 IRS
)m
VB
式中，是雪崩增益后输出电
流的平均值，是未倍增时的 初始光生电流；V是APD的反
向偏压，是二极管击穿电压 ，是APD的串联电阻，m是由 APD的材料和结构决定的（ 一般为2.5-7）。实际上雪崩
过程是统计过程，并不是每
一个光子都经过了同样的放 大，所以G只是一个统计平均 值，一般在40-100之间。
F Gx
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。
10
Si，Ge，InGaAs雪崩光电二极管的通 用工作特性参数
ID
11
PIN光电二极管和APD光电二极管 的比较
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下 产生的雪崩效应来工作的一种二极管。
4
制造材料的选择
• 理论上，在倍增区中可采用任何半导体材料。 • 硅材料适用于对可见光和近红外线的检测，且具有较低的
倍增噪声（超额噪声）。 • 锗材料可检测波长不超过1.7µm的红外线，但倍增噪声较
大。 • InGaAs材料可检测波长超过1.6µm的红外线，且倍增噪声
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。
杂区，而且很宽。当偏压加到一定程度后，耗尽区 将被拉通到π层，一直抵达 层 。 p
6
结构——APD
2、保护环型硅雪崩光电二极管（GAPD） 其雪崩增益与反向偏压间的非线性关系
非常突出，所以具有很高的响应度的优点。 要想得到足够大的增益，GAPD 必须工作在接 近击穿电压处，但击穿电压对温度的变化十 分敏感，因此有了增益对温度变化很敏感的 缺点。
雪崩光电二极管 （APD）
1
目录
• 名词释义 • 工作原理 • 制造材料的选择 • 结构 • 特性参数 • PIN光电二极管和APD光电二极管的比较 • 应用
2
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” 。
2、响应度RAPD
RAPDhqvGRpiG n
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。
9
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。
7
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。
低于锗材料。它一般用作异构二极管的倍增区。该材料适 用于高速光纤通信，商用产品的速度已达到10Gbit/s或更 高。 • 氮化镓二极管可用于紫外线的检测。 • HgCdTe二极管可检测红外线，波长最高可达14µm，但需 要冷却以降低暗电流。使用该二极管可获得非常低的超额 噪声。
5
结构Baidu Nhomakorabea—APD
•1、拉通型硅雪崩光电二极管（RAPD） ppn构成了拉通型结构，π层为接近本征态的低掺
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)。
PIN二极管特点： •结构简单
•可靠性高，电压低，使 用方便
•量子效率高 •噪声小 •带宽较高
APD二极管特点： •灵敏度高 •高增益 •高电压，结构复杂 •噪声大
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应用——APD
载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程 所需的时间越长。因而，雪崩倍增过程要受到“增益-带宽积 ”的限制。在高雪崩增益情况下,这种限制可能成为影响雪崩 光电二极管响应速度的主要因素之一。但在适中的增益下， 与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往 不起主要作用，因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应 速度。现代雪崩光电二极管增益-带宽积很高。
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特性参数——APD
1、平均雪崩增益G
G
IM Ip
(1V
1 IRS
)m
VB
式中，是雪崩增益后输出电
流的平均值，是未倍增时的 初始光生电流；V是APD的反
向偏压，是二极管击穿电压 ，是APD的串联电阻，m是由 APD的材料和结构决定的（ 一般为2.5-7）。实际上雪崩
过程是统计过程，并不是每
一个光子都经过了同样的放 大，所以G只是一个统计平均 值，一般在40-100之间。
F Gx
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
ID
11
PIN光电二极管和APD光电二极管 的比较
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下 产生的雪崩效应来工作的一种二极管。
4
制造材料的选择
• 理论上，在倍增区中可采用任何半导体材料。 • 硅材料适用于对可见光和近红外线的检测，且具有较低的
倍增噪声（超额噪声）。 • 锗材料可检测波长不超过1.7µm的红外线，但倍增噪声较
大。 • InGaAs材料可检测波长超过1.6µm的红外线，且倍增噪声
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。
杂区，而且很宽。当偏压加到一定程度后，耗尽区 将被拉通到π层，一直抵达 层 。 p
6
结构——APD
2、保护环型硅雪崩光电二极管（GAPD） 其雪崩增益与反向偏压间的非线性关系
非常突出，所以具有很高的响应度的优点。 要想得到足够大的增益，GAPD 必须工作在接 近击穿电压处，但击穿电压对温度的变化十 分敏感，因此有了增益对温度变化很敏感的 缺点。
雪崩光电二极管 （APD）
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目录
• 名词释义 • 工作原理 • 制造材料的选择 • 结构 • 特性参数 • PIN光电二极管和APD光电二极管的比较 • 应用
2
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” 。
2、响应度RAPD
RAPDhqvGRpiG n
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。
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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。
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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。
低于锗材料。它一般用作异构二极管的倍增区。该材料适 用于高速光纤通信，商用产品的速度已达到10Gbit/s或更 高。 • 氮化镓二极管可用于紫外线的检测。 • HgCdTe二极管可检测红外线，波长最高可达14µm，但需 要冷却以降低暗电流。使用该二极管可获得非常低的超额 噪声。
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结构Baidu Nhomakorabea—APD
•1、拉通型硅雪崩光电二极管（RAPD） ppn构成了拉通型结构，π层为接近本征态的低掺