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。

PIN型二极管基础知识

普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征（Intrinsic）半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管。正因为有本征（Intrinsic）层的存在，PIN 二极管应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF 开关和RF保护电路，也有用作光电二极管（PhotoDiode）。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。

微波开关利用PIN管在直流正-反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性，实现了控制微波信号通道转换作用。 PIN 二极管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，但是在微波频段却有根本的差别。由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生，所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短路，反偏时阻值大，接近于开路。因此PIN 二极对微波信号不产生非线性整流作用，这是和一般二极管的根本区别，所以它很适合于做微波控制器件。

因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。

工作原理

因为 PIN二极管的射频电阻与直流偏置电流有关，所以它可以用作为射频开关和衰减器。串联射频开关电路：当二极管正偏时，即接通（短路）；当二极管零偏或者反偏时，不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PIN管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响，开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。

特性

加负电压（或零偏压）时，PIN管等效为电容+电阻；加正电压时，PIN管等效为小电阻。用改变结构尺寸及选择PIN二极管参数的方法，使短路的阶梯脊波导的反射相位（基准相位）与加正电压的PIN管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压（或0偏置）的PIN管控制的短路波导的反射相位与标准相位相反（-164°～+164°之间即可）。

图1给出了PIN二极管在正向导通时的电荷分布情况。为简化起见，我们假设I区域中电子与空穴分布对称且分布密度相同。设x=－d处的空穴分布密度为p1，在[－d,0]区域中的剩余空穴电荷为q2，且位于x=－d/2处，这样此区域的平均空穴密度为：p2=q2/qAd.这里A为结面积，q为单位电荷。

图1　PIN二极管的电荷分布

由于P+区域的空穴密度远大于电子密度，这样在x=－d处的电子电流可以忽略（所引起的误差将在下文讨论）。二极管的电流密度可以表示为[9]

其中　Da为扩散常数；Jh为空穴电流密度。

二极管的电流为

电荷q2与电流的关系式为

其中　τa为寿命时间。

式（2）及式（3）描述了二极管的模型，通过定义qE=2q1，　qM=2q2及T=d2/2Da，两式可简化为

图2表示了在感性负载时二极管的关断过程。此过程可分为两个阶段：从t=T0到t=T1，二极管处于低阻抗状态，其电压近似为0，在t=T1时刻，二极管中I区域边缘的剩余电荷变为0，二极管开始呈现高阻抗状态。在式（4）、（5）中令qE=0可得t=T1时刻后二极管的电流为

其中　τ？rr由式（7）给出，I?rr为反向恢复电流峰值。

图2　反向恢复电流波形

一般情况下，t?rr、I?rr及测试条件di/dt、I?FM均在器件的产品手册上列出。根据式（6）及测试条件，τ？rr可由下式获得

其中　a=－di/dt.

根据图2所示的反向电流波形，qM在t≤T1阶段的表达式为

当t=T1时，i（T1）=－I?rr=－qM（T1）/T，代入上式得式（10），τa可由此式解出

然后参数T可由τa、T及τ？rr的关系式（7）算出。

从以上的讨论可以看出，该模型的参数可以方便地从产品手册中得到：首先由式（8）计算τ？rr，再从式（10）解得τa，最后由式（7）决定参数T。

考虑参数

1. 插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗

2. 隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度

3. 开关时间： 由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需要一个过程，这个过程所需时间

4. 承受功率： 在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率

5. 电压驻波系数： 仅反映端口输入，输出匹配情况

6. 视频泄漏

7. 谐波： PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰。 开关分类：反射式和吸收式， 吸收式开关的性能较反射式开关优良。

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