雪崩光电二极管APD的噪声特性研究
APD光电二极管特性(精)
APD光电二极管特性
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内容
1.APD光电二极管一般性能
2.倍增因子
3.过剩噪声因子
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目标
1．了解PIN光电二极管一般性能2．ຫໍສະໝຸດ 解倍增因子3．了解过剩噪声因子
重点
难点
1、掌握查看APD光电二极管的参数表，并根据参数表选型。
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方法
讲授、讨论、总结
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过程
讲授：
1.APD光电二极管一般性能
例举Si材料和InGaAs材料的雪崩光电二极管的参数表格，APD光电二极管的参数
包括光谱响应范围、峰值波长、灵敏度、量子效率、击穿电压、击穿电压温度系数、暗电流、截止波长、结电容、附加噪声指数和增益等。以及两者的特点和应用场合。
2.倍增因子
倍增因子是APD输出光电流和一次光生电流的比值，APD的响应度比PIN增加了g
倍。现有的APD的g值已达几十甚至上百，随反向偏压、波长和温度变化
3.过剩噪声因子
过剩噪声因子F是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。附加噪声指数与器件所用的材料和工艺相关，并例举了硅、锗和铟镓砷几种材料的附加噪声指数。
小结：
课堂总结
雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析
基于InG aAs/InP雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析单光子探测器是能够进行二极管单光子级别探测的器件，逆变器很多光学技术都在追求单光子级别的探测能力，由于这种技术包含对于少数甚至单个光子的探测的可行性的物理过程，因此目前有很多基于这项技术[(8l的实际应用，而且目前量子密钥分发的成功本质上是由于量子通信中的关键器件单光子探测器的单光子探测能力[9]，因此，单光子探测技术被称为量子信息中的关键技术。
除了量子密钥分发，单光子探测还应用于其他光学领域如量子计算〔lOJ和量子物理中一些基本原理的研究[[11]中。
而且单光子探测器还成功的运用于光时域反射计【12-13]，半导体材料研究，天文学应用中的微弱成像，单光子三维雷达成像[[14]，电器甚至还可以在利用漫反射光谱技术的基础上进行人类脑部探测活动[’习。
单光子探测器还可以用于检测快速光信号，如使用时间相关的单光子计数[16-17]的荧光快速衰减的研究。
由于单光子探测器在很多领域的重要应用，已经有很多机构、逆变器实验室在研究该项技术，目前已经产生了很多可用于单光子探测的器件，而一个比较理想的单光子探测器其应该满足一下条件:1)能以相同的效率在不同的通讯波段波长下探测光子，二极管同时在没有光子到达时器件本身产生的噪声应该尽可能小，以保证探测器能有稳定良好的探测性能。
2)整个系统时间抖动应该尽可能小。
3)为了允许高重复频率，单光子探测器件如雪崩二极管的恢复时间也就是死时间应该尽可能短。
4)同时二极管应该具有实用性，这样才有可能用于商业用途。
目前有很多光电器件可以用于单光子探测，比如光电倍增器PMT，雪崩光电二极管和超导单光子探测器。
超导转变边缘传感器由运行在正常和二极管超导状态间狭窄的温度区域中的超导膜构成，具有探测效率高、暗计数率低和时间抖动性小的优点。
电器TES采用超导薄膜作为检测器元件，在TES中，电阻将会根据温度的变化而产生突然变化。
TES偏置电压主要是由于光子入射加热装置导致，通过SQUID放大器读出的信号与入射光子的能力by成正比。
雪崩光电二极管的缺点
雪崩光电二极管的缺点
雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）具有以下缺点：
1. 噪声较高：由于雪崩效应的引入，APD会产生额外的噪声，其中包括增殖噪声和雪崩噪声。
增殖噪声是由于光子在增殖区域内被增殖过程引入的噪声，而雪崩噪声是由于雪崩效应引起的电子雪崩和底部级的噪声。
2. 温度敏感性强：APD的性能会受到环境温度的影响。
具体
而言，温度的变化会引起雪崩区域能带的改变，进而影响增益和噪声特性。
3. 光电效率较低：虽然APD的增益较高，但其光电效率相对
较低。
这是由于雪崩效应所需要的高压偏置，以及本身内部的损耗和反射等原因造成的。
4. 比较脆弱：相比于普通光电二极管，APD在外部机械或热
应力下更容易破裂或损坏，因此在使用和处理时需要特别小心。
5. 成本较高：APD的制造工艺相对复杂，需要高质量的材料
和严格的制作过程，因此其成本较高，使得其在某些应用场景中不太经济实用。
综上所述，虽然雪崩光电二极管具有高增益和高灵敏度的优点，但其也存在噪声较高、温度敏感性强、光电效率较低、易损坏和成本较高等一些缺点。
因此，在具体应用中需要根据实际需求和场景来选择是否使用APD。
雪崩光电二极管特点
雪崩光电二极管特点雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种用于光电转换的器件，它具有一些独特的特点和优势。
本文将对雪崩光电二极管的特点进行详细解释，并在标题中心扩展下进行描述。
1. 雪崩放大效应：雪崩光电二极管通过雪崩放大效应来增强光电转换的效率。
当光子入射到APD中时，产生的电子被高电场加速，撞击到晶格中的原子，使其激发出更多的载流子。
这种级联的雪崩效应可以将光子能量转化为电流信号，并使其放大，从而提高光电转换的灵敏度。
2. 高增益：与传统的光电二极管相比，雪崩光电二极管具有更高的增益。
其内部的雪崩效应可以使电子数目成倍增加，从而大幅度提高输出信号的强度。
这使得雪崩光电二极管在弱光条件下具有更高的信噪比和探测灵敏度，可以探测到较弱的光信号。
3. 宽波长响应范围：雪崩光电二极管的波长响应范围较宽，可以覆盖可见光、红外光等多个波段。
这使得它在不同应用领域具有广泛的适用性。
例如，可以用于光通信、光谱分析、光电检测等领域。
4. 低噪声：雪崩光电二极管具有较低的噪声特性，这是因为它在雪崩放大过程中产生的噪声被级联放大后被抑制。
这使得它在高速光通信和高精度测量等应用中具有优势。
5. 高速响应：由于雪崩放大过程的快速响应特性，雪崩光电二极管具有较高的响应速度。
它可以快速转换光信号为电流信号，适用于高速光通信和高速数据传输等应用。
6. 低工作电压：相比于光电二极管，雪崩光电二极管的工作电压较低。
这使得它在功耗上具有优势，可以降低系统的能耗。
7. 较小尺寸：雪崩光电二极管具有较小的尺寸，重量轻，体积小。
这使得它在集成光学系统和微型设备中的应用更加方便。
雪崩光电二极管具有雪崩放大效应、高增益、宽波长响应范围、低噪声、高速响应、低工作电压和较小尺寸等特点。
这些特点使得它在光通信、光谱分析、光电检测等领域具有广泛的应用前景。
未来随着技术的进一步发展，相信雪崩光电二极管将在更多领域展现出其独特的优势和潜力。
APD光电二极管的特性测试及应用研究1
四川理工学院毕业设计（论文）APD光电管的特性测试及应用研究学生：XXX学号：XXX专业：物理学班级：2010.1指导教师：XXX四川理工学院理学院二O 一四年六月附件1：四川理工学院毕业设计（论文）任务书四川理工学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：APD光电管的特性测试及应用研究系：物理专业：物理学班级: 2010级1班学号：学生：XXX 指导教师：XXX接受任务时间2014.01.18教研室主任（签名）二级学院院长（签名）1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1) 学习APD光电二极管的工作原理；2）理解APD光电二极管的各项参数指标并测试各项参数如: 暗电流、伏安特性、雪崩电压、光谱特性等；3）设计利用APD光电二极管的相关检测电路并实际制作硬件；4) 撰写毕业论文，参加答辩。
2．指定查阅的主要参考文献及说明[1]Jerald Graeme. 光电二级管及其放大电路设计[M]. 北京:科学出版社. 2012.8[2]史玖德. 光电管与光电倍增管[M]. 1981年[3]黄德修. 半导体光电子学(第二版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2013.1.[4]安毓英. 光电子技术[M].北京:电子工业出版社, 2012.12.[5]王庆有. 光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10.[6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。
注：本表在学生接受任务时下达摘要APD -Avalanche Photodiode称为雪崩光敏二极管，在光电二极管的P-N结上加上反向偏压，则入射的光子被P-N结吸收后就会形成光电流。
雪崩光敏二极管广泛应用于电磁兼容测试、生物发光检测、激光成像系统、激光测距、激光雷达、激光陀螺、红外探测、金属矿石选择等领域。
本文在分析APD工作原理的基础上，在实验室实际测试了APD光电二极管的暗电流、光电流、伏安特性、雪崩电压、光电特性、光谱特性等。
最后设计了一个通过单片机控制并显示的光敏开关电路，在实验室调试成功。
APD探测系统的噪声特性及其影响因素研究
ＬＩＵＨｅｘｉｏｎｇ，ＺＨＯＵＢｉｎｇ，ＧＡＯＹｕｃｈｅｎ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆ ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＡｒｍｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰＬＡ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎｏｉｓｅｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ（ＡＰＤ），ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｃａｕｓｅｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｎｏｉｓｅｉｎａｎＡＰＤｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒｉｎｄａｙｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｆａｃｔｏｒａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅｓｏｆｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｆｔｅｒａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｎｄａｅｒｏｓｏｌ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄＡＰＤ ｎｏｉｓｅａｆｔｅｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅｉｓ３４０Ｖ ａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔｉｓｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｒｏｍ０．０７ｍＷ ｔｏ０．３５ｍＷ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆｎｏｉｓｅｉｓｅｎｈａｎｃｅｄｆｒｏｍ１０８ｍＷ ｔｏ１５０ｍＷ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆＡＰＤｎｏｉｓｅ ｗｉｌｌｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｎａｔｕｒａｌｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅ．Ｗｈｅｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｌｉｇｈｔｉｓ０．３５ｍＷ ａｎｄｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅｉｓｅｎｈａｎｃｅｄｆｒｏｍ ３２０Ｖ ｔｏ３４０Ｖ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆｎｏｉｓｅｉｓｅｎｈａｎｃｅｄｆｒｏｍ ２３ｍＷ ｔｏ １５０ｍＷ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅｏｆｎｏｉｓｅｗｉｌｌｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｗｉｌｌｇｒａｄｕａｌｌｙａｃｃｅｌｅｒａｔｅ．Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｐｏｗｅｒｉｎａｓｐｅｃｉｆｉｃｒｅｇｉｏｎｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＡＰＤｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｓａｌｓｏｃｌａｒｉｆｉｅｄ．
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验一、实验目的1、学习掌握APD光电二极管的工作原理2、学习掌握APD光电二极管的基本特性3、掌握APD光电二极管特性测试方法4、了解APD光电二极管的基本应用二、实验内容1、APD光电二极管暗电流测试实验2、APD光电二极管光电流测试实验3、APD光电二极管伏安特性测试实验4、APD光电二极管雪崩电压测试实验5、APD光电二极管光电特性测试实验6、APD光电二极管时间响应特性测试实验7、APD光电二极管光谱特性测试实验三、实验仪器1、光电探测综合实验仪 1个2、光通路组件 1套3、光照度计 1台4、光敏电阻及封装组件 1套5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根7、三相电源线 1根8、实验指导书 1本9、示波器 1台四、实验原理雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。
雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。
当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。
碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。
图6-1为APD的一种结构。
外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。
APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。
图4的结构为拉通型APD的结构。
从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。
雪崩光电二极管
雪崩光电二极管（APD）1. 简介雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种特殊类型的光电二极管，通过利用光电效应将光能转化为电能。
与常规光电二极管相比，APD具有更高的增益和更低的噪声特性，使其在光通信、光电探测、光谱分析等领域中被广泛应用。
本文将介绍雪崩光电二极管的工作原理、特性以及应用领域等内容。
2. 工作原理APD的工作原理基于光电效应和雪崩效应。
光电效应：当光照射到APD的光敏区域时，光子激发了其中的电子，使其获得足够的能量越过禁带，成为自由电子。
这些自由电子在电场的作用下会向电极方向移动，产生电流。
雪崩效应：在雪崩区域，APD的结构被特别设计，使电子在电场的加速下能获得更高的能量，足够激发带负电量的离子。
这些离子再次被电场加速，撞击晶体结构，从而释放出更多的电子，形成一次雪崩放大效应。
这样，通过雪崩效应，每个光子都可以导致多个电子的释放，从而使APD具有较高的增益。
3. 特性APD具有以下几个主要特性：3.1 增益APD具有极高的增益特性，通常在100倍到1000倍以上。
这使得APD能够检测非常弱的光信号，并提供更高的信号到噪声比。
高增益也意味着APD可以克服光电二极管的缺点，如光元件的电子热噪声和放大噪声。
3.2 噪声APD的噪声水平相对较低，主要由雪崩噪声和暗电流噪声构成。
雪崩噪声是由于雪崩效应引起的电荷起伏。
暗电流噪声是与温度相关的内部电流，可以通过降低工作温度来减少。
3.3 响应速度APD的响应速度较高，可以达到几百兆赫兹的范围。
这使得APD适合于高速通信和高频率测量应用。
3.4 饱和功率APD具有饱和功率的概念，也称为最大接收功率。
这是指当光强度超过一定阈值时，APD的增益将不再增加，并导致其输出信号畸变。
因此，在设计APD应用时，需要注意光功率的控制，以避免饱和和信号畸变。
4. 应用领域APD在以下领域中得到了广泛应用：4.1 光通信APD可以提供高增益和低噪声的特性，使其成为光通信系统中常用的接收器元件。
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电光与控制 ,2012,19(3):69-73. [3] 占建明 , 汶德胜 , 王宏 , 等 . 基于光电二极管的前置放大电路噪
（2）
式中：iRD 为由并联电阻；RD 近似为热噪声电流；iSD 为由 暗电流引起的散粒噪声电流；iSP 表示由光电流引起的散粒噪 声电流。对于 APD 来讲，因为设置了倍增机构，所以总的散 粒噪声电流由倍增的散粒电流和没有倍增的散粒电流两部分 组成。
3 APD 的过剩噪声 电子、空穴和原子一旦发生冲突就会产生新的电子和空
信号处理。
为基板内部发生的电流；B 为带宽；M 为倍增率；F 为过剩噪 声系数；Ids 为表面的漏电流。
电子的离子化率 (α) 和空穴的离子化率 (β) 之比称为 离子化率比 [k=α/β] 过剩噪声系数 F 可以用 k 和 M 表示。
（4） 公式（4）表示电子注入雪崩层的过剩噪声系数，若是空 穴注入雪崩层的过剩噪声系数，需要置换为 1/k 的形式。 APD 的噪声是伴随着倍增产生的，若倍增率增加则过剩噪 声增加，总的噪声也随之增大 [3]。信号也随着倍增率的增加 而增大，这样就存在一个使信噪比 S/N 最大的倍增率。APD 的 S/N 计算如下：
（5）
式中：K、T 和 RL 分别表示波尔茨曼常数、绝对温度和负 载电阻。求最大值并忽略 Ids，求出的最大倍增率 Opt M 计算 如下。
（6）
4 结束语 对于 PIN PD，若希望降低热噪声就需要加大负载电阻，
这样就会导致响应速度变慢。为此，热噪声难以变小，导致了 在许多情况下，最低接收电平受到热噪声制约。而对于 APD， 在散粒噪声达到同等程度的热噪声之前，能够在不增加总的 噪声的条件下，成倍地增大信号。这样就能够在确保响应速 度的前提下，改善信噪比。
关键词：雪崩光电二极管；光电二极管、噪声特性
中图分类号：TN364+.2
文献标志码：A
文章编号：1672-3872（2017）22-0067-01
1 PD 热噪声 光电二极管 PD 必须外接负载电阻或运放等设备才能检测
出光电流，这些设备中，电子也在运动。这种运动只要温度 不是绝对零度，就会在热作用下发生不规则变化。这样，作 为电子整体运动的平均，观察到的电流是不规则变动的，这 种不规则变动产生的噪声称为热噪声 [1]。如果忽略 APD 内部 电阻的影响，只考虑外围电路的负载 RL（等效负载），则热 噪声电流 ij-APD 可以计算如下：
穴，致使电流不规则变化从而形成噪声，这种噪声称为过剩 噪声。过剩噪声与材料有关，Si 材料的过剩噪声远小于 Ge 材 料的过剩噪声，因此 APD 的噪声要大于 PIN 型 PD 的噪声 [2]。 如果将 APD 的过剩噪声也归入到散粒噪声之中，则 APD 的散 粒噪声 In 计算如下：
（3） 式中：q 我电子的电荷量；IP 为 M=1 时的光生电流；Idg —————————————— 作者简介：薛凌云（1989-），男，陕西安康人，硕士，研究方向：
声分析 [J]. 半导体技术 ,2011,36(4):304-306+315.
（收稿日期：2017-10-15）
（1） 式中：K 为波尔茨曼常数；T 为绝对温度；B 为噪声带宽。
2 PD 散粒噪声 由于载流子的随机运动而导致电流的波动形成了散粒噪
声。散粒噪声和热噪声的起因都是源于电子和空穴的不规则 运动，无论何种光电二极管都会发生，并且，并不限于光电 二极管，与光毫无关系的所有半导体设备都会产生，它们是 难以消除和减小的噪声。对于 PIN 型 PD，散粒噪声包含起因 于光生电流的散粒噪声和起因于暗电流的散离噪声两部分。
2017 年 11 月下
Mechanized Equipment
机械装备 67
雪崩光电二极管 APD 的噪声特性研究
薛凌云
（广东科技学院，广东 东莞 523083）
电流成倍增长的高速、高灵敏度的光电二极管，在可见光通信中接收端设
计中起着举足轻重的作用。降低噪声可提高 APD 的性能，为了提高信号接收的可靠性，文章对 APD 的噪声特性进行了分析研究。