本文主要是關(guān)于雪崩光電二極管的相關(guān)介紹，依據(jù)雪崩光電二極管的特性，淺析了暗電流的相關(guān)探討。
雪崩光電二極管
雪崩光電二極管是一種p-n結(jié)型的光檢測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。其基本結(jié)構(gòu)常常采用容易產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的Read二極管結(jié)構(gòu)（即N+PIP+型結(jié)構(gòu)，P+一面接收光），工作時(shí)加較大的反向偏壓，使得其達(dá)到雪崩倍增狀態(tài)；它的光吸收區(qū)與倍增區(qū)基本一致（是存在有高電場的P區(qū)和I區(qū)）。
P-N結(jié)加合適的高反向偏壓，使耗盡層中光生載流子受到強(qiáng)電場的加速作用獲得足夠高的動能，它們與晶格碰撞電離產(chǎn)生新的電子一空穴對，這些載流子又不斷引起新的碰撞電離，造成載流子的雪崩倍增，得到電流增益。在0.6～0.9μm波段，硅APD具有接近理想的性能。InGaAs（銦鎵砷）/InP（銦磷）APD是長波長（1.3μn，1.55μm）波段光纖通信比較理想的光檢測器。其優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖所示，光的吸收層用InGaAs材料，它對1.3μm和1.55μn的光具有高的吸收系數(shù)，為了避免InGaAs同質(zhì)結(jié)隧道擊穿先于雪崩擊穿，把雪崩區(qū)與吸收區(qū)分開，即P-N結(jié)做在InP窗口層內(nèi)。鑒于InP材料中空穴離化系數(shù)大于電子離化系數(shù)，雪崩區(qū)選用n型InP，n-InP與n-InGaAs異質(zhì)界面存在較大價(jià)帶勢壘，易造成光生空穴的陷落，在其間夾入帶隙漸變的InGaAsP（銦鎵砷磷）過渡區(qū)，形成SAGM（分別吸收、分級和倍增）結(jié)構(gòu)。
在APD制造上，需要在器件表面加設(shè)保護(hù)環(huán)，以提高反向耐壓性能；半導(dǎo)體材料以Si為優(yōu)（廣泛用于檢測0.9um以下的光），但在檢測1um以上的長波長光時(shí)則常用Ge和InGaAs（噪音和暗電流較大）。這種APD的缺點(diǎn)就是存在有隧道電流倍增的過程，這將產(chǎn)生較大的散粒噪音（降低p區(qū)摻雜，可減小隧道電流，但雪崩電壓將要提高）。一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)是所謂SAM-APD：倍增區(qū)用較寬禁帶寬度的材料（使得不吸收光），光吸收區(qū)用較窄禁帶寬度的材料；這里由于采用了異質(zhì)結(jié)，即可在不影響光吸收區(qū)的情況下來降低倍增區(qū)的摻雜濃度，使得其隧道電流得以減?。ㄈ绻峭蛔儺愘|(zhì)結(jié)，因?yàn)棣v的存在，將使光生空穴有所積累而影響到器件的響應(yīng)速度，這時(shí)可在突變異質(zhì)結(jié)的中間插入一層緩變層來減小ΔEv的影響）。
主要特性
①雪崩增益系數(shù)M（也叫倍增因子），對突變結(jié)
式中V為反向偏壓，VB為體雪崩擊穿電壓；n與材料、
器件結(jié)構(gòu)及入射波長等有關(guān)，為常數(shù)，其值為1～3。②增益帶寬積，增益較大且頻率很高時(shí)，
M(ω)·ω?
式中ω為角頻率；N為常數(shù)，它隨離化系數(shù)比緩慢變化；W為耗盡區(qū)厚度；Vs為飽和速度；αn及αp分別為電子及空穴的離化系數(shù)，增益帶寬積是個常數(shù)。要想得到高乘積，應(yīng)選擇大Vs，小W及小αn/αp（即電子、空穴離化系數(shù)差別要大，并使具有較高離化系數(shù)的載流子注入到雪崩區(qū)）。③過剩噪聲因子F，在倍增過程中，噪聲電流比信號電流增長快，用F表示雪崩過程引起的噪聲附加F≈Mx。式中x稱過剩噪聲指數(shù)。要選擇合適的M值，才能獲得最佳信噪比，使系統(tǒng)達(dá)到最高靈敏度。④溫度特性，載流子離化系數(shù)隨溫度升高而下降，導(dǎo)致倍增因子減小、擊穿電壓升高。用擊穿電壓的溫度系數(shù)盧描述APD的溫度特性。
β=?
式中VB及VB0分別是溫度為T及T0時(shí)的擊穿電壓。
使用時(shí)要對工作點(diǎn)進(jìn)行溫控，要制造均勻的P-N結(jié)，以防局部結(jié)面被擊穿。
雪崩光電二極管的暗電流存在的原因及測試方法
圖3給出暗電流特性，實(shí)線為模擬結(jié)果，“*”為其他文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中可見二者符合較好。對于小的
偏壓，暗電流以擴(kuò)散電流和寄生漏電流為主，對大的偏壓，暗電流表現(xiàn)為隧穿電流)該器件的擊穿電壓為80.5?V。?
圖4給出脈沖響應(yīng)特性。輸入信號寬度為10ps峰值功率1mW的Gauss形脈沖，偏壓為50V，取樣電阻為5?0?SZ，光由P區(qū)人射。由圖可見，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合。這個器件本身的電容比較小，寄生電容對波形的影響比較大。圖中給出1sCpF?和1.5pF兩條模擬曲線，對應(yīng)的半峰全寬（FWHM）分別為150?ps和175?ps，其他文獻(xiàn)給出的結(jié)果為140ps.由以上比較結(jié)果可見，這里給出的PIN-APD電路模型能比較好的預(yù)測器件的性能.此外，這里還給出了對這個器件的其它模擬結(jié)果。見圖5--7.圖5給出對應(yīng)不同光功率的光電流曲線。在很大的偏壓范圍內(nèi)，曲線都比較平坦，只有在接近擊穿電壓時(shí)，光電流才隨偏壓的提高而增大，這主要是隧穿電流造成的。圖6給出1W?輸入光功率情況下的量子效率隨偏壓的變化關(guān)系。這里量子效率定義為光生電子一空穴對數(shù)與人射光子數(shù)之比。當(dāng)偏壓小于55?V時(shí)，量子效率基本保持為40%，隨偏壓升高，量子效率迅速增大，對應(yīng)80?V的量子效率為9.457%，圖7給出不同偏壓下的脈沖響應(yīng)，條件
同圖4。由圖可見，隨偏壓的增大，響應(yīng)幅度增大,FWHM增大，這是由于雪崩效應(yīng)造成的。當(dāng)偏壓接近擊穿電壓時(shí)，該器件已不能響應(yīng)這樣短的脈沖。
雪崩光電二極管的保護(hù)
雪崩光電二極管是一種p-n結(jié)型的光檢測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。其基本結(jié)構(gòu)常常采用容易產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的Read二極管結(jié)構(gòu)（即N+PIP+型結(jié)構(gòu)，P+一面接收光），工作時(shí)加較大的反向偏壓，使得其達(dá)到雪崩倍增狀態(tài)；它的光吸收區(qū)與倍增區(qū)基本一致（是存在有高電場的P區(qū)和I區(qū)）。
P-N結(jié)加合適的高反向偏壓，使耗盡層中光生載流子受到強(qiáng)電場的加速作用獲得足夠高的動能，它們與晶格碰撞電離產(chǎn)生新的電子一空穴對，這些載流子又不斷引起新的碰撞電離，造成載流子的雪崩倍增，得到電流增益。在0.6～0.9μm波段，硅APD具有接近理想的性能。InGaAs（銦鎵砷）/InP（銦磷）APD是長波長（1.3μn，1.55μm）波段光纖通信比較理想的光檢測器。
光的吸收層用InGaAs材料，它對1.3μm和1.55μn的光具有高的吸收系數(shù)，為了避免InGaAs同質(zhì)結(jié)隧道擊穿先于雪崩擊穿，把雪崩區(qū)與吸收區(qū)分開，即P-N結(jié)做在InP窗口層內(nèi)。鑒于InP材料中空穴離化系數(shù)大于電子離化系數(shù)，雪崩區(qū)選用n型InP，n-InP與n-InGaAs異質(zhì)界面存在較大價(jià)帶勢壘，易造成光生空穴的陷落，在其間夾入帶隙漸變的InGaAsP（銦鎵砷磷）過渡區(qū)，形成SAGM（分別吸收、分級和倍增）結(jié)構(gòu)。在APD制造上，需要在器件表面加設(shè)保護(hù)環(huán)，以提高反向耐壓性能；半導(dǎo)體材料以Si為優(yōu)（廣泛用于檢測0.9um以下的光），但在檢測1um以上的長波長光時(shí)則常用Ge和InGaAs（噪音和暗電流較大）。
這種APD的缺點(diǎn)就是存在有隧道電流倍增的過程，這將產(chǎn)生較大的散粒噪音（降低p區(qū)摻雜，可減小隧道電流，但雪崩電壓將要提高）。一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)是所謂SAM-APD：倍增區(qū)用較寬禁帶寬度的材料（使得不吸收光），光吸收區(qū)用較窄禁帶寬度的材料；這里由于采用了異質(zhì)結(jié)，即可在不影響光吸收區(qū)的情況下來降低倍增區(qū)的摻雜濃度，使得其隧道電流得以減?。ㄈ绻峭蛔儺愘|(zhì)結(jié)，因?yàn)棣v的存在，將使光生空穴有所積累而影響到器件的響應(yīng)速度，這時(shí)可在突變異質(zhì)結(jié)的中間插入一層緩變層來減小ΔEv的影響）。
淺說雪崩光電二極管
光電二極管模式—光電流在圖2所示環(huán)路中流動，從而正向偏置二極管。根據(jù)二極管對數(shù)正向V-I特性，卸載輸出電壓與光電流差不多成對數(shù)關(guān)系（極低電流下由RD改動）。因此，輸出電壓隨輻照度而呈現(xiàn)高非線性變化。這種特點(diǎn)有益于一些應(yīng)用，因?yàn)樵谡麄€寬范圍內(nèi)光線“亮度”的明顯變化（眼睛就是完美的對數(shù)）產(chǎn)生類似的電壓變化。由于二極管V-I特性的溫度依賴性，電壓與輻照度的絕對關(guān)系關(guān)不理想。
二極管電容限制了光伏模式的頻率響應(yīng)。輻照度的迅速變化必會對CD充電和放電。這不是快速響應(yīng)所使用的模式。
利用一個簡單的非逆運(yùn)算放大器電路，我們可以緩沖或者放大輸出。使用低輸入偏置電流的CMOS或者JFET運(yùn)算放大器，這樣您就可以不在低輻照度水平下給光電二極管施加負(fù)載。
為了在光伏模式下發(fā)電，我們需要加載輸出，然后大幅降壓。最高功率輸出的負(fù)載情況取決于輻照度。
光電導(dǎo)模式—二極管電壓保持恒定不變（常常為0V，如圖3所示）?？缱杩?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/放大器/" target="_blank">放大器（TIA）常用于將光電流轉(zhuǎn)換為電壓?？梢栽诠怆姸O管上使用反向偏置來降低其電容，但這會構(gòu)成“暗電流”漏電流。由于在二極管上沒有形成正向電壓，因此響應(yīng)隨輻照度的變化非常線性。另外，二極管電容的電壓不隨輻照度的變化而變化，因此頻率響應(yīng)得到極大改善。低電容仍然很重要，因?yàn)樗诜答佂分行纬梢粋€極。它一般會要求使用一個反饋電容器CF，以獲得穩(wěn)定性。
只需通過一個低值（約50歐姆）電阻器增加光電二極管負(fù)載，您可以得到光電導(dǎo)模式的諸多好處。如果二極管電壓不超出20mV，則您無需極大地對二極管正向偏置，并且響應(yīng)也相當(dāng)?shù)鼐€性和迅速。但是，敏感度非常低。
雪崩光電二極管為一些特殊二極管，其作用是工作在高反向偏置電壓下（接近二極管擊穿電壓）。這樣可放大低輻照度下的輸出電流。
選擇一個光電二極管有許多復(fù)雜的權(quán)衡過程，包括光電二極管大小尺寸、電容、噪聲、暗電流泄露和封裝類型?？傊?，最好使用一個小型光電二極管，并通過反射鏡或者透鏡集中有限光源。TI不單獨(dú)生產(chǎn)光電二極管，但是就許多基礎(chǔ)應(yīng)用而言O(shè)PT101提供一整套解決方案，把光電二極管和TIA集成到同一塊IC上。
結(jié)語
關(guān)于雪崩光電二極管的相關(guān)介紹就到這了，希望本文能讓你對雪崩光電二極管有更深的了解。