雪崩光电二极管的特性

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1、雪崩光电二极管工作特性及等效电路模型一．工作特性雪崩光电二极管为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：式中为倍增输出电流，为倍增前的输出电流。雪崩倍增

2、系数与碰撞电离率有密切关系，碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子----空穴对数目。实际上电子电离率和空穴电离率是不完全一样的，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J近似有以下关系：式中，，，都为与材料有关的系数。假定，可以推出式中,为耗尽层的宽度。上式表明，当时，。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。当时，结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压.实验发现，在反向偏压略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这时的值较小，随反向偏压的

3、变化可用经验公式近似表示为式中，指数与结得结构有关。对结，;对结，。由上式可见，当时，，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）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

4、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，在雪崩过程中结上的反向偏压容易

5、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：计算。其中n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3,对于硅管，2.3

6、要组成部分.随着集成电路计算机辅助设计技术的发展,通过建立PIN雪崩光电二极管(APD)的数学模型,并利用计算机对其特性进行分析和研究成为OEIC设计中的重要组成部分.目前PIN-APD的等效电路模型,通常在PSPICE中模拟实现[1,2,427].这种方法能较好的进行直流、交流、瞬态分析.但无法跟踪反映PIN-APD工作过程中载流子和光子的变化,同时建模过程中一些虚拟器件的存在和计算使模型特性出现误差.本文通过求解反偏PIN结构中各区过剩载流子速率方程,建立数学模型,并对模型参数和器件进行了修正,在Matlab中进行了模拟计算.模拟结果和实际测量结果吻合较好.二．等效电路模型

7、1.PIN—APD电路模型为分析方便,采用图1所示的一维结构,并假定光由n区入射,对于p区入射情况,只需对下面相应的公式做少量修改。现作两点假设①区耗尽层扩展相对于i区的宽度可忽略；②i区电场均匀，n，p区内电场为零。对于实际的PIN器件i区大都不是本征的，因为即使不故意掺杂,也含有一定杂质,这样i区内的电场就不均匀,因此,以上两点假设对实际器件是否合理是值得斟酌的。不过只要i区的杂质浓度与其它两区相比很小,这两点假设是合理的。以n-i界面作为研究对象,流过该界面的电流包括两部分,一部分为n