在晶體硅中進(jìn)行摻雜，形成P型和N型半導(dǎo)體，兩者結(jié)合形成PN結(jié)。由于N區(qū)和P區(qū)之間的多數(shù)載流子濃度梯度較大，即電子從N區(qū)擴(kuò)散，空穴從P區(qū)擴(kuò)散至對側(cè)并復(fù)合。復(fù)合過程會耗盡結(jié)兩側(cè)相鄰區(qū)域的多數(shù)載流子，形成所謂耗盡層。這就是PD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如下圖所示：

硅光電二極管(Si PD)是最基礎(chǔ)的硅光電探測器，深入理解其工作特性有助于理解雪崩光電二極管(APD)。

一，光電二極管PD的時(shí)間、電流特性

1，光電二極管PD的時(shí)間特性

由于耗盡層外缺乏電場，載流子需依靠擴(kuò)散和布朗隨機(jī)行走到達(dá)耗盡層，之后才能在電場作用下快速漂移穿過PN結(jié)并被收集。

增加反偏電壓，耗盡層深度增加，同時(shí)也會導(dǎo)致更多熱生載流子被收集，那么暗電流也會增加。類似于平行板電容器，通過增加反偏電壓，增加耗盡層深度會減小PN結(jié)的結(jié)電容，從而提高光電二極管的頻率帶寬。為進(jìn)一步改善PN型光電二極管的頻率響應(yīng)和帶寬，可在P區(qū)和N區(qū)之間引入本征硅區(qū)域，形成PIN型光電二極管。該本征區(qū)域可降低單位面積電容，從而提高截止頻率和帶寬。

2，光電二極管PD的電流特性

內(nèi)部電場形成過程中，由于載流子的漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動逐漸在強(qiáng)度上形成平衡，載流子的凈遷移停止。此時(shí)，如果通過外部能量源(如光子或熱能)在耗盡層兩側(cè)產(chǎn)生過剩載流子，則可能打破這種平衡，引發(fā)結(jié)兩側(cè)的凈電流。

這種外部能量可以是熱激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對，并分別向兩端移動，即產(chǎn)生所謂的暗電流。也可以是光子，即產(chǎn)生光電流。通常用光電流來表征光強(qiáng)，光電流從陽極流出，大小和光強(qiáng)成正比。

二，雪崩光電二極管APD

光電二極管沒有內(nèi)部載流子倍增或增益機(jī)制。這些光電二極管的增益為 1，因此適合檢測相對強(qiáng)的光信號。雪崩光電二極管(APD)具有內(nèi)部增益機(jī)制，適用于檢測低光信號水平。

雪崩光電二極管APD全稱：Avalanche Photo Diode，它具有高速、高靈敏度特性。常用于光纖通訊、激光測距、光譜測量、醫(yī)學(xué)影像診斷、環(huán)境監(jiān)測等方面。濱松提供各類封裝(金屬、陶瓷、表面貼裝)，單點(diǎn)/陣列，以及模塊產(chǎn)品。

APD雪崩增益帶來的最大優(yōu)勢，在于它能將原始光信號的幅值(相對于其自身的噪聲)提升到足以壓倒后續(xù)讀出電路噪聲的水平，從而顯著改善系統(tǒng)的信噪比。

1，雪崩光電二極管APD的增益原理

除了加深耗盡層外，增加PN結(jié)兩端的反向偏置電壓還會增強(qiáng)耗盡層中的電場。載流子在電場的作用下，速度會增加。這些載流子撞擊晶格時(shí)可能使其電離，這種碰撞電離效應(yīng)構(gòu)成載流子倍增現(xiàn)象，使漂移的載流子數(shù)量迅速增加，類似雪崩過程。原始光生載流子數(shù)量與最終收集的電荷信號之間的載流子數(shù)量之比，即為雪崩過程的增益。

2，雪崩光電二極管APD的增益依賴性

APD的增益特性依賴于其工作條件，比如溫度、波長與反向偏壓。

①對溫度的依賴性

APD增益會隨溫度升高而降低。其物理機(jī)制是：在高溫下，晶格的熱振動(聲子振動)增強(qiáng)，這就導(dǎo)致被電場加速的載流子與晶格發(fā)生碰撞的概率增加。這些碰撞會使載流子損失動能，當(dāng)能量不足以碰撞電離出新的電子-空穴對時(shí)，雪崩倍增效應(yīng)就會被抑制，新生的載流子數(shù)量減少，最終造成增益的下降。其變化趨勢如下圖所示：

因此，如果需要讓APD的增益在工作過程中保持相對穩(wěn)定，就必須對施加的反偏電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償?shù)木唧w邏輯是：將溫度傳感器放置在APD旁邊實(shí)時(shí)監(jiān)測其結(jié)溫。當(dāng)監(jiān)測到溫度上升了1℃時(shí)，便根據(jù)該型號APD產(chǎn)品手冊中提供的擊穿電壓溫度系數(shù)，相應(yīng)地將反偏電壓提升一個對應(yīng)的電壓值，以抵消溫度升高帶來的增益下降。

②對波長的依賴性

量子效率受光波長影響，這個是比較好理解的。此外，APD的增益也會受到波長影響，這個現(xiàn)象是比較有意思的。要理解這一點(diǎn)，需注意APD有兩種可選的制造結(jié)構(gòu)：N-on-P(近紅外型)和P-on-N(短波長型)。

其原理在于：由于長波(如近紅外光)的穿透力更強(qiáng)，往往在器件的更深區(qū)域激發(fā)產(chǎn)生光生載流子。同時(shí)，對硅材料而言，電子的電離率比空穴更高。在N-on-P結(jié)構(gòu)中，由長波光子在深處激發(fā)的電子需要穿越更長的雪崩倍增區(qū)，從而經(jīng)歷更多的碰撞電離機(jī)會，因此，N-on-P結(jié)構(gòu)在長波長響應(yīng)方面具有更高的增益。類似的，P-on-N結(jié)構(gòu)則在短波長響應(yīng)方面具有更高的增益。如下圖所示，該圖清晰地展示了短波型和近紅外型APD的靈敏度(即增益)隨波長的變化趨勢。

③對反向偏壓的依賴性

APD增益隨反向偏置電壓的增加而增大，這個規(guī)律比較容易理解：反向偏壓越高，耗盡區(qū)內(nèi)的電場強(qiáng)度就越大，載流子在電場中被加速后獲得的動能也就更大，其碰撞電離的概率(電離率)隨之增高，從而導(dǎo)致增益增大。

從下圖的增益-電壓曲線可以看出，這條曲線上存在兩個明顯的拐點(diǎn)，分別在50 V和110 V左右。

對于50V至110V，在對數(shù)坐標(biāo)下更像直線，符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律。對于110V至140V左右則適用于理想突變結(jié)近似擬合。

3，雪崩二極管APD增益與反偏電壓的擬合

APD的增益M與反偏電壓V的關(guān)系，核心是基于雪崩倍增效應(yīng)的物理模型。

下面我們舉個實(shí)際的測試案例：

APD型號：S3884

擊穿電壓值Vb：164 V@25℃

推薦工作電壓值Vr：150 V@增益為100

環(huán)境溫度：25℃

對于反偏電壓遠(yuǎn)低于擊穿電壓的低增益區(qū)間時(shí)，我們使用以下指數(shù)函數(shù)公式進(jìn)行擬合：

對于反偏電壓接近但未達(dá)到擊穿電壓時(shí)，我們使用以下理想突變結(jié)近似公式進(jìn)行擬合：

當(dāng)APD工作在擊穿電壓附近時(shí)，增益急劇上升并且難以獲取，我們可以注意到：暗環(huán)境下，當(dāng)APD的反偏電壓(158 V~161 V)接近擊穿電壓值(164 V)時(shí)，APD的暗噪聲會迅速提升。

4，雪崩二極管APD最佳工作點(diǎn)計(jì)算

APD最佳工作點(diǎn)增益是指 APD 維持相對恒定帶寬和穩(wěn)定噪聲輸出時(shí)的最高增益水平，可以通過下圖來進(jìn)行估算，APD 的最佳工作增益通常在幾十到一百左右。

計(jì)算示例：

在溫度300K、光電流1μA、負(fù)載電阻50Ω、過剩噪聲指數(shù)0.3的條件下，計(jì)算得到最佳增益約為27.6。

三，選型指導(dǎo)

PD與APD是面向不同需求的解決方案，其核心區(qū)別在于是否具備內(nèi)部增益。

PD (增益 = 1)：結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，成本較低，是強(qiáng)光信號探測應(yīng)用的理想選擇。通過反偏壓優(yōu)化和PIN結(jié)構(gòu)，可滿足大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用對速度和帶寬的要求。

APD (增益 > 1)：通過內(nèi)部雪崩倍增效應(yīng)提供高增益，專為微弱光信號探測設(shè)計(jì)，但需要更精細(xì)的電壓控制和溫度管理。

審核編輯 黃宇