揭秘雪崩光电二极管「结构、原理、特性、区别PIN 光电二极管」

雪崩光电二极管是由日本工程师“Jun-ichi Nishizawa”于 1952 年设计的。雪崩光电二极管是一种非常灵敏的半导体探测器，它利用光电效应将光转化为电。

在光纤通信系统中，使用雪崩光电二极管等单个组件将光转换为电信号。在雪崩过程中，电荷载流子是通过碰撞产生的。光粒子状光子会产生许多电子，进而产生电流。

什么是雪崩光电二极管？

与其他二极管相比，使用雪崩方法提供额外性能的二极管称为雪崩光电二极管。

雪崩光电二极管将光信号变为电信号，可以在高反向偏压下工作。雪崩光电二极管的符号是类似齐纳二极管。

雪崩光电二极管结构

PIN 光电二极管和雪崩光电二极管的结构相似，包括两个重掺杂区和两个轻掺杂区，重掺杂区域是 P+ 和 N+，而轻掺杂区域是 I和P。

在本征区中，与 PIN 光电二极管相比，雪崩光电二极管的耗尽层宽度相当薄。此处，p+ 区的作用类似阳极，而 n+ 区的作用类似阴极。

与其他光电二极管相比，雪崩光电二极管在高反向偏置条件下工作。因此，通过光撞击或光子形成的电荷载流子使雪崩倍增。雪崩作用可使光电二极管的增益提高数倍，以提供高灵敏度范围。

工作准则

雪崩击穿主要发生在光电二极管承受最大反向电压时，该电压增强了耗尽层之外的电场。当入射光穿透 p+ 区域时，它会在电阻极大的 p 区域内被吸收，然后生成电子-空穴对。

只要存在高电场，电荷载流子包括其饱和速度就会漂移到 pn+ 区域。当速度最高时，载流子将通过其他原子碰撞并产生新的电子-空穴对，巨大的电荷载流子对将导致高光电流。

雪崩光电二极管操作

雪崩光电二极管操作可以完全在耗尽模式下完成。但是，除了线性雪崩模式之外，它们还可以在盖革模式下工作。在这种工作模式下，光电二极管可以在上述击穿电压下工作。目前正在推出另一种模式，即“亚盖革模式”。

光纤通信中的雪崩光电二极管

在光纤通信 (OFC) 系统中，雪崩光电二极管通常用于弱信号的识别，但电路需要进行足够的优化以实现高信噪比 (S/N)。这里，SNR 是为了获得完美的信噪比，量子效率应该很高，因为这个值几乎是最大值，所以大部分信号都被注意到了。

雪崩光电二极管特性

雪崩光电二极管是高度灵敏、基于高速的二极管，它通过施加反向电压来工作的内部增益方法。与 PIN 型光电二极管相比，这些二极管测量低范围光，因此用于需要高灵敏度不同的应用中，如光距离测量和远距离光通信。

雪崩二极管

雪崩二极管

PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。

当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加。就是反向电击穿。它分雪崩击穿和齐纳击穿。

雪崩击穿是PN结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快。

利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管

雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。

齐纳击穿完全不同，在高的反向电压下，PN结中存在强电场，它能够直接破坏！共价键将束缚电子分离来形成电子-空穴对，形成大的反向电流。齐纳击穿需要的电场强度很大！只有在杂质浓度特别大！！的PN结才做得到。（杂质大电荷密度就大）

一般的二极管掺杂浓度没这么高，它们的电击穿都是雪崩击穿。齐纳击穿大多出现在特殊的二极管中，就是稳压二极管

雪崩二极管能以多种模式产生振荡，其中主要有碰撞雪崩渡越时间(IMPATT)模式，简称崩越模式。其基本工作原理是：利用半导体PN结中载流子的碰撞电离和渡越时间效应产生微波频率下的负阻，从而产生振荡。另一种重要的工作模式是俘获等离子体雪崩触发渡越时间(TRAPATT)模式,简称俘越模式。这种模式的工作过程是在电路中产生电压过激以触发器件，使二极管势垒区充满电子-空穴等离子体，造成器件内部电场突然降低,而等离子体在低场下逐渐漂移出势垒区。因此这种模式工作频率较低，但输出功率和效率则大得多。除上述两种主要工作模式以外，雪崩二极管还能以谐波模式、参量模式、静态模式以及热模式工作。

雪崩二极管的结构可分为两大类：单漂移区雪崩二极管和双漂移区雪崩二极管。单漂移区雪崩二极管的结构有PN、 PIN、 P NN (或N PP )、P NIN (或N PIP )、MNN 。其中P NN 结构工艺简单,在适中的电流密度下能获得较大的负阻，且频带较宽，因此在工业中应用较多。双漂移区雪崩二极管是 1970 年以后出现的，其结构为P PNN ，实质上相当于两个互补单漂移区雪崩二极管的串联，从而有效地利用了电子和空穴漂移空间，因此输出功率和效率均较高。

制造雪崩二极管的材料主要是硅和砷化镓。

雪崩二极管具有功率大、效率高等优点。它是固体微波源，特别是毫米波发射源的主要功率器件，广泛地使用于雷达、通信、遥控、遥测、仪器仪表中。其主要缺点是噪声较大。

雪崩二极管与PIN光电二极管有何区别

PIN: 光敏面接收对应波长的光照时，产生光生电流；

雪崩光电二极管（APD）：除了和PIN相同部分外，多了一个雪崩增益区，光生电流会被放大，

放大的倍数称为雪崩增益系数。当然同时也会产生噪声电流。

PIN光电二极管、雪崩光电二极管均属于半导体光电探测器，所使用的材料一样，光谱响应范围也一样。PIN光电二极管优点在于响应度高响应速度快，频带也较宽工作电压低，偏置电路简单在反偏压下可承受较高的反向电压，所以线性输出范围宽不足之处在于I层电阻很大管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。所以PIN光电二极管通常接有前置放大器。

雪崩光电二极管是具有内部增益光电探测器，雪崩增益虽比光电倍增管PMT小的多，但仍使APD的灵敏度比PIN光电二极管高的多，解决了PIN光电二极管灵敏度低的问题，在高速调制微弱信号检测时其优点便更加明显，但由于其增管效益，信号中的噪声也会同时被放大，且其增益系数受温度影响必要时还需采用温度补偿措施。较之APDPIN，光电二极管对温度不敏感适用场合受限制较少，所以绝大多数系统均采用PIN光电二极管，但在信号损耗过大光信号过于微弱或长距离传输等条件下，APD就很有必要。

影响PIN光电二极管的影响因素

稳压二极管的雪崩效应

当一个半导体二极管加上足够高的反向偏压时，在耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增。人们最初在研究半导体二极管的反向击穿机构时发现了这种现象。当载流子的雪崩增益非常高时，二极管进入雪崩击穿状态；在此以前，只要耗尽层中的电场足以引起碰撞电离，则通过耗尽层的载流子就会具有某个平均的雪崩倍增值。

碰撞电离效应也可以引起光生载流子的雪崩倍增，从而使半导体光电二极管具有内部的光电流增益。1953年，K.G.麦克凯和K.B.麦卡菲报道锗和硅的PN结在接近击穿时的光电流倍增现象。1955年，S.L.密勒指出在突变PN结中，载流子的倍增因子M随反向偏压V的变化可以近似用下列经验公式表示

M＝1/［1-（V/VB）n］

式中VB是体击穿电压，n是一个与材料性质及注入载流子的类型有关的指数。当外加偏压非常接近于体击穿电压时，二极管获得很高的光电流增益。PN结在任何小的局部区域的提前击穿都会使二极管的使用受到限制，因而只有当一个实际的器件在整个PN结面上是高度均匀时，才能获得高的有用的平均光电流增益。因此，从工作状态来说，雪崩光电二极管实际上是工作于接近（但没有达到）雪崩击穿状态的、高度均匀的半导体光电二极管。1965年，K.M.约翰逊及L.K.安德森等分别报道了在微波频率下仍然具有相当高光电流增益的、均匀击穿的半导体雪崩光电二极管。从此，雪崩光电二极管作为一种新型、高速、灵敏的固态光电探测器件渐渐受到重视。

性能良好的雪崩光电二极管的光电流平均增益嚔可以达到几十、几百倍甚至更大。半导体中两种载流子的碰撞离化能力可能不同，因而使具有较高离化能力的载流子注入到耗尽区有利于在相同的电场条件下获得较高的雪崩倍增。但是，光电流的这种雪崩倍增并不是绝对理想的。一方面，由于嚔随注入光强的增加而下降，使雪崩光电二极管的线性范围受到一定的限制，另一方面更重要的是，由于载流子的碰撞电离是一种随机的过程，亦即每一个别的载流子在耗尽层内所获得的雪崩增益可以有很广泛的几率分布，因而倍增后的光电流I比倍增前的光电流I0有更大的随机起伏，即光电流中的噪声有附加的增加。与真空光电倍增管相比，由于半导体中两种载流子都具有离化能力，使得这种起伏更为严重。

式中q为电子电荷，B为器件工作带宽，F（嚔）表示雪崩倍增过程所引起噪声的增加，称为过剩噪声因子。一般情况下，F随嚔的变化情况相当复杂。有时为简单起见，近似地将F表示为F＝嚔x，x称为过剩噪声指数。F或x是雪崩光电二极管的重要参数。

由于F大于1，并随嚔的增加而增加，因而只有当一个接收系统（包括探测器件即雪崩光电二极管、负载电阻和前置放大器）的噪声主要由负载电阻及放大器的热噪声所决定时，提高雪崩增益嚔可以有效地提高系统的信噪比，从而使系统的探测性能获得改善；相反，当系统的噪声主要由光电流的噪声决定时，增加嚔就不再能使系统的性能改善。这里起主要作用的是过剩噪声因子F的大小。为获得较小的F值，应采用两种载流子离化能力相差大的材料，使具有较高离化能力的载流子注入到耗尽层，并合理设计器件结构。

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