APD 特性
雪崩光电二极管(APD)
结构——APD
3、SAGM型APD 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（1.3μm，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1.55μm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。
工作原理——APD
雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。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 高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子 碰撞，使晶格原子电离产生二次电子－空穴对；二次电子和 空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离 产生新的电子－空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。 电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这 时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。高速运动的电子和 晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子 - 空穴对 。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生 连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪 崩光电二极管(APD)。
APD光电二极管特性(精)
APD光电二极管特性
教学环境
多媒体机房
教学
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
教学
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。
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
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
APD 特性
APD的工作原理
• APD是通过在其结构中构造一个强电场区， 当光入射到PN结后，光子被吸收产生电 子-空穴对，这些电子-空穴对运动进入强 电场区后获得能量做高速运动，与原子 晶格产生碰撞电离出新的电子-空穴对， 该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。
APD的结构
入射光 抗反射膜 强电场区
N P I（P） P
量子效率=光生电子-空穴对数／ 入射光子数，即
I P hf η = P0 e 响应度 R ——是光生电流 I P和入
射光功率 P0 的比值
噪声特性
噪声直接影响光接收机的灵敏度。光电二 极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪 声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的 热噪声。通常噪声用均方噪声电流描述。 • 均方散粒噪声电流
第十一讲光电检测器主要内容一光电检测器的基本工作原理三雪崩光电检测器apd一光电检测器的工作原理光电检测器是外加反向偏压的pn结当入射光作用时发生受激吸收产生电子空穴对这些电子空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流同时在耗尽层两侧部分电子空穴对由于扩散运动进入耗尽层在电场作用下形成扩散电流这两部分电流之和为光生电流
PIN光电检测器的工作原理
• PIN是为提高光电转换效率而在 PN结内部设置一层掺杂浓度很低 的本征半导体（I层）以扩大耗尽 层宽度的光电二极管。
PIN的工作原理示意图
能 量
P+ 光
I
N+
W
PIN光电检测器的结构
入射光 抗反射膜 电极
+
P I
N
+
电极
E
PIN光电检测器的主要特性
• • • • • 量子效率 光谱特性 响应时间 频率特性 噪声特性
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
[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。
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料，确定方案，写文献综述
2014.1.18-3.20
2
学习APD光电二极管的工作原理
2014.3.21-3.30
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的研究领域，引起了各国科研工作者的兴趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基APD的近红外探测效率，其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收，然而随着APD体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加APD器件的暗电流和噪声，也提高了APD的响应时间，所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在APD器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子，也不会增加APD器件的体积，但是这种方法对工艺制作流程要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。Si是间接带隙材料，在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。因此硅的吸收截止波长是1100nm。从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率，人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配。或者改变硅基APD的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验APD光电二极管特性测试实验1，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2，实验内容有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3、实验仪器1、光电检测综合实验仪器12、光路组件1组3、测光表1组4、1组5和2#重叠插头对(红色，50厘米)和10组6和2#重叠插头对(黑色，50厘米)10根7相电力电缆，1根8相电源线，1本9实验说明书，1台4示波器，雪崩光电二极管APD—雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光电探测器，可用于探测微弱的光信号并获得较大的输出光电流。
雪崩光电二极管的内部增益基于碰撞电离效应。
当高反向偏置电压施加到PN结时，5耗尽层中的电场非常强，并且光生载流子在通过时将被电场加速。
当电场强度足够高(约3x10v/cm)时，光生载流子获得大量动能。
它们与半导体晶格高速碰撞，电离晶体中的原子，从而激发新的电子-空穴对。
这种现象被称为碰撞电离碰撞电离产生的电子-空穴对也在强电场的作用下加速，并重复前面的过程。
由于多次碰撞电离，载流子迅速增加，电流迅速增加。
这一物理过程被称为雪崩倍增效应。
++图6-1是APD的结构与电极接触的外侧的P区和N区被重掺杂，分别由P和N+表示；在I区和n区的中间是另一层宽度较窄的p区APD在大的反向偏置下工作。
当反向偏置电压增加到++到一定值时，耗尽层从N-P结区延伸到P区，包括中间P层区和I+区图4的结构是直通APD结构从图中可以看出，电场分布在区域一相对较弱，但在区域N-P++相对较强。
碰撞电离区，即雪崩区，位于n-p区虽然I区的电场比N-P区低得多，但也足够高，达到4(最高2×10V/cm)，从而保证载流子达到饱和漂移速度。
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。
APD的特性和调试方法
最佳点
1.25G的测试情况下，假设，统计，每8秒出现一个误码； 对应误码率，1/ (8*1.25E9)= 1E-10
0 2 2 0 0 0 4 0
0 1E-10 1.33E-10 1E-10 8E-11
1E-10
APD的温度特性I
APD的温度特性II
APD的偏压选择办法-多温度点
高温 灵 敏 度 低温 常温为验证点，误差要 求小于预定值，否则认 为校正过程有问题 绿线写入模块作为APD的反偏电压的计算公式 常温
误码率：误码数量/传输码的总 数量
比如，我们传送1亿，10的8次方个数据，出现了1个误码， 对应误码率，1/(1*E8)=1.0 E-8 比如，我们传送10亿，10的9次方个数据，出现了4个误码， 对应误码率，4/(1*E9)=4.0 E-9 1.25G 1.25*E9 ，如果误码率为1E-11，就是说传送了E11个 码才有一个误码，E11/(1.25E9) = 100/1.25 = 80秒； 第一个80秒，没有误码，第二个80秒，出现2个误码；
120
117 115 113 112 111
2.4 E-8
2.3 E-8 2.35 E-8 2.3 E-8 2.45 E-8 2.3 E-8
最佳温度点的选择-要点-测试信号强度的选择
理想的输入信号，要求实 际测量的误码率控制在10 的-10次方的级别；基本上， 通过30秒到1分钟左右， 误码分析仪上，就可以得 到一个稳定的误码率的数 据； 通过调整衰减器的衰减系 统，可以找到这个合适值 的位置，目前的情况看， 大概在-35dbm到-37dbm之 间
APD的特性II
APD的两种VBR版本
APD的最佳偏压值的选择办法单温度点
要点： 在某个M值的位置，灵敏度达 到最大； 小于这个M值时候，因为电流 放大的比例不够，导致灵敏度 下降； 当大于M值的时候，因为APD 的噪声增加，也导致灵敏度下 降
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主要内容
• 一、光电检测器的基本工作 原理 • 二、PIN光电检测器 • 三、雪崩光电检测器APD
一、光电检测器的工作原理
• 光电检测器是外加反向偏压的PN结，当 入射光作用时，发生受激吸收产生 光生 电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗尽层 内建电场作用下形成漂移电流，同时在 耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运 动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散 电流，这两部分电流之和为光生电流。
2 I th
= 2e(I
= 4 KTB R
p
+ Id )B
• •
均方热噪声电流
I T2
总均方噪声电流
I t2
= 2e(I
p
+ Id )B +
4 KTB R
• 响应时间——光生电流脉冲前沿由最大幅度的 10%上升到90％，或由后沿的90%下降到10%的 时间定义为脉冲上升时间和脉冲下降 时间。 脉冲响应时间为：
I0 g = IP
过剩噪声因子F
• 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。设 F = g （x是附加噪 声指数），则APD的均方量子噪声电流为
x
同理，APD的均方暗电流噪声电流为
I d2 = 2 eI d Bg
2+ x
I q2
= 2 eI p Bg
2+ x
附加噪声指数与器件所用材料和制造工艺有 关，Si-APD 的x=0.3～0.5,Ge-APD的x= 0.8～ 1.0,InGaAs-APD的x =0.5～0.7。
光电二极管的工作原理
电子 扩散 漂移 复合 复合 空穴 漂移 P 光生电动势 (a) 光电效应 N 扩散 N 空穴 反偏压 (b) 加反向偏压后的能带 价带 光 P 光 耗尽层 电子
导带
二、 PIN光电检测器
• PIN光电检测器的工作原理和 结构 • PIN光电检测器的主要特性 • PIN光电检测器的一般性能
+ +
低电场区
电极
E
APD的主要特性
• 1） 倍增因子g
——定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的 比值。 I
g =
0
IP
• 2） 过剩噪声因子F ——是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数
I q2 = 2 eI p Bg
2
APD的倍增因子
倍增因子g ——定义为APD输出光电流Io和一次 光生电流IP的比值。
APD的工作原理
• APD是通过在其结构中构造一个强电场区， 当光入射到PN结后，光子被吸收产生电 子-空穴对，这些电子-空穴对运动进入强 电场区后获得能量做高速运动，与原子 晶格产生碰撞电离出新的电子-空穴对， 该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。
APD的结构
入射光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抗反射膜 强电场区
N P I（P） P
APD光电检测器的一般性能
Si-APD
波长响应 I d
InGaAs-APD
1～1．65 0.5～0.7 10～20 0.1～0.3 ＜0 .5 40～60 20～30 0.5～0.7
nA
−1
0.4～1.0
)
响应度 ρ ( A ⋅ W 暗电流 响应时间 结电容 工作电压 倍增因子
0.5 0.1～1 0.2～0.5 1～2 50～100 30～100
量子效率=光生电子-空穴对数／ 入射光子数，即
I P hf η = P0 e 响应度 R ——是光生电流 I P和入
射光功率 P0 的比值
噪声特性
噪声直接影响光接收机的灵敏度。光电二 极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪 声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的 热噪声。通常噪声用均方噪声电流描述。 • 均方散粒噪声电流
1～1．6 0.5（1.31µm） 2～5 0.2～1 1～2
－
λ µm
−1
0.4～1.0 0.4 (0.85µm) 0.1～1 2～10 0.5～1
－
ρ ( A ⋅W
I d nA
)
暗电流 响应时间 结电容 工作电压
τ ns
C pF
/V
5～ －15
5～ －15
三、雪崩光电检测器APD • • • • APD的工作原理 APD的结构 APD的主要特性 APD的一般性能
PIN光电检测器的工作原理
• PIN是为提高光电转换效率而在 PN结内部设置一层掺杂浓度很低 的本征半导体（I层）以扩大耗尽 层宽度的光电二极管。
PIN的工作原理示意图
能 量
P+ 光
I
N+
W
PIN光电检测器的结构
入射光 抗反射膜 电极
+
P I
N
+
电极
E
PIN光电检测器的主要特性
• • • • • 量子效率 光谱特性 响应时间 频率特性 噪声特性
τ =τ
f
= τ
r
= 2 . 2τ
0
• 频率特性——当光电二极管具有单一时间常数 时，截止频率为：
fc = 1 2 πτ
0
=
0 . 35
τr
•
[结论]：减小耗尽层宽度可以减小渡越时间， 从而提高截止频率。，但会降低量子效率。
PIN光电检测器的一般性能
Si-PIN
波长响应 响应度
InGaAs-PIN
I d nA
τ ns
C pF
/V
g
附加噪声指数
x
0.3～0.5