雪崩光电二极管的特性要点.pdf
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1、雪崩光电二极管的介绍 及等效电路模拟 摘要 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(隧道击穿 )。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。 物理 12 张常龙 雪崩光电二极管的介绍及 等
2、效电路模拟 文档副标题 二一五年十月 辽宁科技大学理学院 辽宁省鞍山市千山中路185 号 雪崩光电二极管的介绍及等效电路模拟 摘 要 :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(隧道击穿 )。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
3、生 4,像雪崩一样增加载流子。 关键词:雪崩二极管等效电路 1. 雪崩二极管的介绍 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
4、子的雪崩倍增,得到电流增益。在0.6 0.9 m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( 1.3 n,1.55m )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 1.3 m和 1.55n 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
5、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
6、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Ev 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 Ev的影响)。 2主要特性 主要特性雪崩增益系数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、 图 1 结构示意图 器件结构及入射波长等有关,为常数,其值为 13。增益带宽积,增益较大且频率很高时, M() 式中 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; n 及 p 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
7、择大Vs, 小 W 及小 n/ p(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)。 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FMx。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。 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。 = 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。 3工作特性 雪崩光电二极管为
8、具有内增益的一种光生伏特器件,它利用光生载流子在强电场内的定 向运动产生雪崩效应,以获得光电流的增益。在雪崩过程中,光生载流子在强电场的作用下 进行高速定向运动,具很高动能的光生电子或空穴与晶格院子碰撞,使晶格原子电离产生二 次电子 -空穴对;二次电子-空穴对在电场的作用下获得足够的动能,又是晶格原子电离产 生新的电子 -空穴对,此过程像“雪崩”似的继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发 产生的光生载流子,这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加,其电流倍增系数定义为: 0 /MII 式中I为倍增输出电流, 0 I为倍增前的输出电流。 雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切关系,碰撞电离率表示一个载流
9、子在电场作用 下 , 漂移单位距离所产生的电子-空穴对数目。 实际上电子电离率 n 和空穴电离率 p是 不完全一样的, 他们都与电场强度有密切关系。由实验确定, 电离率与电场强度EJ 近似 有以下关系: ()m b E Ae 式中,A,b,m都为与材料有关的系数。 假定 np ,可以推出 0 1 1 D X M dx 式中 , D X为耗尽层的宽度。上式表明,当 0 1 D X dx 时,M。因此称上式为发生雪崩击穿的条件。其物理意义是:在电场作用下, 当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子-空穴对,就发生雪崩击穿现象。当 M时,PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压 BR U. 实验发现
10、,在反向偏压略低于击穿电压时,也会发生雪崩倍增现象,不过这时的M 值较小,M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示为 1 1() n BR M U U 式中,指数n与PN结得结构有关。对N P结, 2n ;对P N结, 4n 。由上式可见, 当 BR UU时,M,PN结将发生击穿。 适当调节雪崩光电二极管的工作偏压,便可得到较大的倍增系数。目前,雪崩光电二 极管的偏压分为低压和高压两种,低压在几十伏左右,高压达几百伏。雪崩光电二极管的 倍增系数可达几百倍,甚至数千倍。 雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲 线如图所示。从图中可看到,当工作偏压增加时,输出亮 电流(即光电流和暗电流之和
11、)按指数显示增加。当在偏 压较低时,不产生雪崩过程,即无光电流倍增。所以,当 光脉冲信号入射后,产生的光电流脉冲信号很小(如A 点 波形) 。当反向偏压升至B 点时, 光电流便产生雪崩倍增效 应,这时光电流脉冲信号输出增大到最大(如B 点波形)。 当偏压接近雪崩击穿电压时,雪崩电流维持自身流动,使 暗电流迅速增加,光激发载流子的雪崩放大倍率却减小。 即光电流灵敏度随反向偏压增加而减小,如在C 点处光电 流的脉冲信号减小。换句话说,当反向偏压超过B 点后, 由于暗电流增加的速度更快,使有用的光电流脉冲幅值减 小。所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了压 低暗电流,会把向左移动一些,虽然灵敏
12、度有所降低,但 是暗电流和噪声特性有所改善。 从图中的伏安特性曲线可以看出,在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡,当 反向偏压有所较小变化时,光电流将有较大变化。另外,在雪崩过程中PN结上的反向偏 压容易产生波动,将影响增益的稳定性。所以,在确定工作点后,对偏压的稳定性要求很 高。 噪音 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的,碰撞后的运动方向变得更加随机, 所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下,其噪声电流主要为散粒噪声。 当 雪 崩 倍 增M倍 后 , 雪 崩 光 电 二 极 管 的 噪 声 电 流 的 均 方 根 值 可 以 近 似 由 公 式 : 22 2Iq
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