如何提高雪崩光電二極體靈敏度

雪崩光電二極體

APD應用於對光訊號需要高靈敏度的各種應用場合，例如光纖通訊、閃爍（scin

ti

llaTIon）探測等。

對APD的測量一般包括擊穿電壓、響應度和反向偏置電流等。

優點

與真空光電倍增管相比，雪崩光電二極體具有小型、不需要高壓電源等優點，因而更適於實際應用；與一般的半導體光電二極體相比，雪崩光電二極體具有靈敏度高、速度快等優點，特別當系統頻寬比較大時，能使系統的探測效能獲得大的改善。

當一個半導體二極體加上足夠高的反向偏壓時，在耗盡層內運動的載流子就可能因碰撞電離效應而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導體二極體的反向擊穿機構時發現了這種現象。當載流子的雪崩增益非常高時，二極體進入雪崩擊穿狀態；在此以前，只要耗盡層中的電場足以引起碰撞電離，則透過耗盡層的載流子就會具有某個平均的雪崩倍增值。

碰撞電離效應也可以引起光生載流子的雪崩倍增，從而使半導體光電二極體具有內部的光電流增益。1953年，K。G。麥克凱和K。B。麥卡菲報道鍺和矽的PN接面在接近擊穿時的光電流倍增現象。1955年，S。L。密勒指出在突變PN接面中，載流子的倍增因子M隨反向偏壓V的變化可以近似用下列經驗公式表示

M=1/［1-（V/VB）n］

式中VB是體擊穿電壓，n是一個與材料性質及注入載流子的型別有關的指數。當外加偏壓非常接近於體擊穿電壓時，二極體獲得很高的光電流增益。PN接面在任何小的區域性區域的提前擊穿都會使二極體的使用受到限制，因而只有當一個實際的器件在整個PN接面面上是高度均勻時，才能獲得高的有用的平均光電流增益。因此，從工作狀態來說，雪崩光電二極體實際上是工作於接近（但沒有達到）雪崩擊穿狀態的、高度均勻的半導體光電二極體。

影響響應速度的因素

載流子在耗盡層中獲得的雪崩增益越大，雪崩倍增過程所需的時間越長。因而，雪崩倍增過程要受到“增益-頻寬積”的限制。在高雪崩增益情況下，這種限制可能成為影響雪崩光電二極體響應速度的主要因素之一。但在適中的增益下，與其他影響光電二極體響應速度的因素相比，這種限制往往不起主要作用，因而雪崩光電二極體仍然能獲得很高的響應速度。現代雪崩光電二極體增益-頻寬積已達幾百吉赫。

與一般的半導體光電二極體一樣，雪崩光電二極體的光譜靈敏範圍主要取決於半導體材料的禁頻寬度。製備雪崩光電二極體的材料有矽、鍺、砷化鎵和磷化銦等Ⅲ-Ⅴ族化合物及其三元、四元固熔體。根據形成耗盡層方法的不同，雪崩光電二極體有PN接面型（同質的或異質結構的PN接面。其中又有一般的PN接面、

PI

N結及諸如 N+PπP+結等特殊的結構）、金屬半導體肖特基勢壘型和金屬-氧化物-半導體結構等。

如何提高雪崩光電二極體靈敏度

光敏二極體和光敏三極體是光電轉換半導體器件，與光敏

電阻器

相比具有靈敏度高、高頻效能好，可靠性好、體積小、使用方便等優點。 光敏二極體也叫光電二極體。光敏二極體與半導體二極體在結構上是類似的，其管芯是一個具有光敏特徵的PN接面，具有單向導電性，因此工作時需加上反向電壓。無光照時，光敏二極體截止。當光線照射PN接面時，光敏二極體導通。

光敏二極體使用時要反向接入電路中，即正極接電源負極，負極接電源正極。常見的有2CU、2DU等系列。 光敏二極體是一種光電轉換器件，其基本原理是光照到PN接面上時，吸收光能並轉變為電能。它具有兩種工作狀態：

當光敏二極體加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數都工作在這種狀態。

光敏二極體上不加電壓，利用P-N結在受光照時產生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。這種工作狀態，一般作光電檢測器。光敏二極體分有P-N結型、PIN結型、雪崩型和肖特基結型，其中用得最多的是PN接面型，價格便宜。

光敏三極體和普通三極體相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。 通常基極不引出，但一些光敏三極體的基極有引出，用於溫度補償和附加控制等作用。當具有光敏特性的PN 結受到光輻射時，形成光電流，由此產生的光生電流由基極進入發射極，從而在集電極迴路中得到一個放大了相當於β倍的電流。不同材料製成的光敏三極體具有不同的光譜特性，與光敏二極體相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。它由光控三極體和35積體電路兩部分組成。

積體電路IC及三極體T3、電阻R4、R5等構成放大電路。平常在光源照射下，T1呈低阻狀態，T2飽和導通，IC觸發端3腳得不到正觸發脈衝而不工作，揚聲器無聲。當T1被物體遮擋時，便產生一負脈衝電壓，並透過C1

耦合

到T2的基極，導致T2進入截止狀態，IC獲得一正觸發脈衝而工作，輸出音訊透過T3放大，推動揚聲器發出聲響

雪崩光電二極體的應用

雪崩光電二極體（APD）是一種高靈敏度、高速度的光電二極體。施加反向電壓時，能啟動其內部的增益機構。APD的增益可以由反向偏置電壓的幅度來控制。反向偏置電壓越大增益就越高。APD在電場強度的作用下工作，光電流的雪崩倍增類似於鏈式反應。APD應用於對光訊號需要高靈敏度的各種應用場合，例如光纖通訊、閃爍（scinTIllaTIon）探測等。 對APD的測量一般包括擊穿電壓、響應度和反向偏置電流等。典型APD的最大額定電流為10-4到10-2A，而其暗電流則可低達10-12到10-13A的範圍。最大反向偏置電壓隨APD的材料而變化，銦砷化鎵（InGaAs）材料的器件可達100V，矽材料的器件則可高達500V。 測試介紹 測量APD的反向偏置電流需要一種能夠在很寬範圍內測量電流並且能輸出掃描電壓的儀器。由於這種要求，吉時利6487型皮安計電壓源或者6430型亞飛安（Sub-Femtoamp）源-表等儀器對於這類測量工作是非常理想的。 圖4-19 所示為6430型亞飛安源-表連線到一個光電二極體上。該光電二極體安放在一個電遮蔽的暗箱中。為了對敏感的電流測量進行遮蔽，使其不受靜電干擾的影響，將此暗箱與6430型亞飛安源表的低端相連。

圖4-20示出使用6430型數字源表測量得到的銦砷化鎵（InGaAs）材料APD的電流與反向掃描電壓的關係曲線，注意其電流測量的範圍很寬。隨著光的增強，雪崩區域變得更加明顯。擊穿電壓將引起電流自由流動，因為這時會形成電子空穴對，而不再需要光照射二極體來產生電流。