[科普中国]-雪崩光电二极管

雪崩光电二极管指的是在激光通信中使用的光敏元件。在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。

工作原理雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+型结构，P+一面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的P区和I区）。

P-N结加合适的高反向偏压，使耗尽层中光生载流子受到强电场的加速作用获得足够高的动能，它们与晶格碰撞电离产生新的电子一空穴对，这些载流子又不断引起新的碰撞电离，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益。在0.6～0.9μm波段，硅APD具有接近理想的性能。InGaAs（铟镓砷）/InP（铟磷）APD是长波长（1.3μn，1.55μm）波段光纤通信比较理想的光检测器。其优化结构如图所示，光的吸收层用InGaAs材料，它对1.3μm和1.55μn的光具有高的吸收系数，为了避免InGaAs同质结隧道击穿先于雪崩击穿，把雪崩区与吸收区分开，即P-N结做在InP窗口层内。鉴于InP材料中空穴离化系数大于电子离化系数，雪崩区选用n型InP，n-InP与n-InGaAs异质界面存在较大价带势垒，易造成光生空穴的陷落，在其间夹入带隙渐变的InGaAsP（铟镓砷磷）过渡区，形成SAGM（分别吸收、分级和倍增）结构。

在APD制造上，需要在器件表面加设保护环，以提高反向耐压性能；半导体材料以Si为优（广泛用于检测0.9um以下的光），但在检测1um以上的长波长光时则常用Ge和InGaAs（噪音和暗电流较大）。这种APD的缺点就是存在有隧道电流倍增的过程，这将产生较大的散粒噪音（降低p区掺杂，可减小隧道电流，但雪崩电压将要提高）。一种改进的结构是所谓SAM-APD：倍增区用较宽禁带宽度的材料（使得不吸收光），光吸收区用较窄禁带宽度的材料；这里由于采用了异质结，即可在不影响光吸收区的情况下来降低倍增区的掺杂浓度，使得其隧道电流得以减小（如果是突变异质结，因为ΔEv的存在，将使光生空穴有所积累而影响到器件的响应速度，这时可在突变异质结的中间插入一层缓变层来减小ΔEv的影响）。1

主要特性主要特性 ①雪崩增益系数M（也叫倍增因子），对突变结

式中V为反向偏压，VB为体雪崩击穿电压；n与材料、

器件结构及入射波长等有关，为常数，其值为1～3。②增益带宽积，增益较大且频率很高时，

M(ω)·ω

式中ω为角频率；N为常数，它随离化系数比缓慢变化；W为耗尽区厚度；Vs为饱和速度；αn及αp分别为电子及空穴的离化系数，增益带宽积是个常数。要想得到高乘积，应选择大Vs，小W及小αn/αp（即电子、空穴离化系数差别要大，并使具有较高离化系数的载流子注入到雪崩区）。③过剩噪声因子F，在倍增过程中，噪声电流比信号电流增长快，用F表示雪崩过程引起的噪声附加F≈Mx。式中x称过剩噪声指数。要选择合适的M值，才能获得最佳信噪比，使系统达到最高灵敏度。④温度特性，载流子离化系数随温度升高而下降，导致倍增因子减小、击穿电压升高。用击穿电压的温度系数卢描述APD的温度特性。

β=

式中VB及VB0分别是温度为T及T0时的击穿电压。

使用时要对工作点进行温控，要制造均匀的P-N结，以防局部结面被击穿。

材料理论上，在倍增区中可采用任何半导体材料：

硅材料适用于对可见光和近红外线的检测，且具有较低的倍增噪声（超额噪声）。

锗(Ge)材料可检测波长不超过1.7µm的红外线，但倍增噪声较大。

InGaAs材料可检测波长超过1.6µm的红外线，且倍增噪声低于锗材料。它一般用作异构(heterostructure)二极管的倍增区。该材料适用于高速光纤通信，商用产品的速度已达到10Gbit/s或更高。

氮化镓二极管可用于紫外线的检测。

HgCdTe二极管可检测红外线，波长最高可达14µm，但需要冷却以降低暗电流。使用该二极管可获得非常低的超额噪声。2

基本介绍与基本型号的应用范围每个模块包括一个光电探测器(快速光电二极管或雪崩光电二极管)和一个互阻抗放大器。同一封装中兼备放大器和光探测器，使其环境噪声更低，寄生电容更小。

C30659 系列模块包括一个连接到低噪声互阻抗放大器的APD。有4种型号使用硅晶体雪崩光电二极管和2 种型号铟镓砷雪崩光电二极管可选择。50 兆赫和200 兆赫的标准频带宽度可以适应大范围应用。另有两种C30659 型号的雪崩光电二极管配置热电制冷(LLAM 系列)，帮助改善噪音或保持雪崩光电二极管在任何环境温度下恒温工作。

C30659 型号可以根据特殊应用需要，选择一种定制频带宽度或适合特殊环境要求的定制产品。另有一种带尾纤封装14 插脚双列直插式插件，可以达到几乎100 %耦合效率。

C30950EH是可以替代C30659 的低成本型产品。放大器用来抵消电压增益放大器的输入电容。C30919E 与C30950EH 使用相同设计结构，多了一个高压温度补偿电路以保持模块在宽温度范围内的响应性常数。另两种HUV 模块可用于低频高增益应用，它涵盖了从紫外线到接近红外线的广谱范围,有需要咨询可上博云网讯科技有限公司找龚先生（159/19979195） 处了解

特点和优点· 超低噪声· 高速· 高互阻抗增益

常用型号:C30659-900-R5BH，C30659-900-R8AH, C30659-1060-R8BH，C30659-1060-3AH

C30659-1550-R08BH，C30659-1550-R2AH, C30919E, C30950EH,LLAM-1550-R2A, LLAM-1060-R8BH

HUV-1100BGH,HUV-2000BH

硬用图片介绍

应用· 激光测距仪· 共焦显微镜检查· 视频扫描成像仪· 高速分析仪器· 自由空间通信

· 紫外线传感· 分布式温度传感器3

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学