PIN光电二极管和雪崩倍增光电二极管
雪崩光电二极管(ADP)演示ppt
第贰章
特 性 参 数
平均雪崩增益
响应度
过剩噪音因子
Si，Ge，InGaAs雪崩光电二 极管的通用工作特性参数
第三章
功 能 比 较
带噪量可结
宽声子靠构
二 较 小 效 性 简
高
率高单 高，
极
电
管
压 低
特
，
点
使
用
方
便
ADP PIN
噪高高灵
声电增敏
大压益度
，
高二
结 构
极
复
管
杂
特
点
第肆章
应 用 举 例
明朝会
与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小 型、不需要高压电源等优点，因而更适于实际应用; 与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具 有灵敏度高、速度快等优点.特别当系统带常比较大 时，能使系统的探测性能获得大的改善。
因此，雪崩光电二极管主要应用与激光测距仪、 共焦显微镜检查、视频扫描播成像仪、高速分析仪器、 自由空间通信、紫外线传感、分布式温度传感器等领 域。
雪
（
崩 光
ADP
电
）
二 极
管
2021.4.14
壹
贰
叁
肆
名
特
功
应
词
性
能
用
释
参
比
举
义
数
较
例
第壹章
名 词 释 义
东南 胜形
APD是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PN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”
简述pin和apd的工作原理
简述pin和apd的工作原理PIN和APD都是用于光电探测的器件，工作原理略有不同，下面将对PIN和APD的工作原理进行详细的阐述。
首先，我们先来介绍一下PIN（P型/Intrinsic/N型）结构器件的工作原理。
PIN结构是一种半导体器件，由P型半导体、Intrinsic层（无掺杂的半导体层）和N型半导体组成。
在PIN结构中，Intrinsic层的宽度较大，起到减少载流子复合的作用。
当光线射入PIN结构中时，光子能量会被传递给半导体晶格中的电子，使其激发为可导电的载流子。
当不存在外加电压的情况下，通过PIN结构的电流主要是由光生电流和擦除电流组成。
光生电流是指光射入PIN结构时，光子与半导体材料发生作用产生的电流。
而擦除电流是指由于载流子在PIN结构中的扩散而产生的电流。
当施加一个外加正向偏压时，即P端连接正极，N端连接负极，此时形成了一个光电二极管。
光电二极管在没有光照射的情况下，电流非常小，只有极小的擦除电流。
但当光照射到PIN结构中时，光子激发了Intrinsic层中的电子，使其跃迁为导带中的自由电子，同时生成空穴。
这些载流子因为外加电场的作用而被快速输送到电极上，从而产生电流。
因此，当光照射到PIN结构时，光电二极管的电流会增大。
这种通过光子激发载流子的效应就是光电效应。
光电二极管的输出电流与输入光强度之间存在着线性关系。
光电二极管的灵敏度与Intrinsic层的宽度有关，宽度越大，灵敏度越高。
在应用中，PIN结构器件主要用于光电转换和信号检测方面，如光通信、光采样等。
接下来，我们来介绍一下APD（Avalanche Photo Diode）的工作原理。
与PIN结构器件不同，APD采用了一种称为雪崩复制效应的方式来增强光电二极管的敏感度。
APD的基本结构与PIN结构类似，也是由P型半导体、Intrinsic 层和N型半导体组成。
APD的工作原理是在光电二极管中引入一个反向偏压，即P端连接负极，N端连接正极。
第3章光生伏特器件
市场上的型雪崩光电二极管基本上都是 PIN型雪崩光电二极管。 PIN型光电二极管 在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展 到整个PN结结区，形成自身保护（具有很 强的抗击穿功能）不必设置保护环。
初始的载流子在强电场的作用下获得很大的动能，其在高 速运动过程总与晶体的晶格碰撞，产生新的电子空穴对， 称为碰撞电离过程。此过程多次重复。电离产生的载流子 数远大于光激发产生的光生载流子数，形成雪崩倍增效应。
时间响应
PN结硅光电二极管的亮电流产生要经过下面3个 过程：
1) PN 结 区 内 的 光 生 载 流 子 渡 越 结 区 的 时 间 ， 称 漂 移 （Drift）时间记为τdr ； 2) 在PN结区外光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间， 称为扩散（Diffusion）时间记为τp；约为100ns，它是限制 PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。 3) 由PN结电容Cj和管芯电阻及负载电阻RL构成的RC延 迟时间τRC = Cj（ Ri + RL ）（ ns数量级）。
典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1μ m左右，短波限 接近0.4μ m，峰值响应波长为0.9μ m左右。
短波段的光谱容易被减 薄的PN结吸收。因此， 可以制造出具有不同光 谱响应的光伏器件，例 如蓝敏器件和色敏器件 等。蓝敏器件是在牺牲 长波段光谱响应为代价 获得的（减薄PN结厚 度，减少了长波段光子 的吸收）。
3.1
光电二极管 根据基底不同可
硅光电二极管
3.1.1 硅光电二极管的工作原理
分为以P型硅为衬
底的2DU型与以N 型硅为衬底的2CU 型两种结构形式。 如图示为2DU型光 电二极管的原理 结构图。 工作在反向电压下
电流
电流
电流 电流
PIN光探测器
c
hc Eg
6.6251034 J s 3108 m / s
1.43eV (1.61019 J / eV )
869nm
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
P w Pin (1 es w )
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
Ip
Pin (1
Rf
)(1 es w )
q hv
其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射 光子数之比：
Ip /q Pin / hv
(1
Rf
)(1
es w )
量子效率只与波长有关，而与Pin无关
例
有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内 共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：
5.4 106 6 106
90%
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
Ip
Pin (1
Rf
)(1 es w )
q hv
pin的响应度
主要内容
光电二极管物理原理及其参数 雪崩倍增管的原理及其参数 光电检测器的噪声分析 光电检测器的带宽
雪崩二极管 (APD)
设计动机：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在 高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于显著提高接收机灵 敏度
耗尽区
高阻材料
雪崩光电二极管的特性
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效电路模拟[文档副标题]二〇一五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，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益。
雪崩光电二极管偏置电压及暗电流
雪崩光电二极管偏置电压及暗电流PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度。
为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二极管的光电灵敏度提高到需要的程度。
1.结构如图3-7所示为三种雪崩光电二极管的结构示意图。
图3-7（a）所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构；图3-7（b）所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管。
无论P型N还是N型P结构，都必须在基片上蒸涂金属铂形成硅化铂（约10 nm）保护环。
图3-7（c）所示为PIN型雪崩光电二极管。
由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下其耗尽区会扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，雪崩光电二极管不必设置保护环。
目前，市场上的雪崩光电二极管基本上都是PIN型的。
2.工作原理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。
其电流倍增系数定义为式中，I为倍增输出电流，I0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的关系。
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αn和空穴电离率αP是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。
由实验确定，电离率α与电场强度E近似有以下关系式中，A、b、m都为与材料有关的系数。
假定αn=αP=α，可以推导出式中，XD为耗尽层的宽度。
光电二极管的响应速度如何提高
光电二极管的响应速度如何提高在现代科技的诸多领域中，光电二极管凭借其独特的性能发挥着至关重要的作用。
从光通信到环境监测，从医疗设备到工业自动化，光电二极管的身影无处不在。
然而，在实际应用中，其响应速度往往成为影响系统性能的关键因素。
那么，如何提高光电二极管的响应速度呢？这是一个值得深入探讨的问题。
要提高光电二极管的响应速度，首先得从其工作原理说起。
光电二极管是一种将光信号转换为电信号的半导体器件。
当光照射到光电二极管的 PN 结时，光子会激发电子从价带跃迁到导带，从而产生光生载流子。
这些光生载流子在电场的作用下形成电流，这就是光电转换的基本过程。
材料的选择对于光电二极管的响应速度有着重要的影响。
采用高纯度、高质量的半导体材料能够减少杂质和缺陷，从而降低载流子的复合几率，提高响应速度。
例如，硅材料由于其成熟的工艺和良好的性能，在许多应用中被广泛使用。
然而，对于一些对响应速度要求极高的场合，像砷化镓、磷化铟等化合物半导体材料则更具优势，因为它们具有更高的电子迁移率和更窄的禁带宽度。
器件结构的优化也是提高响应速度的关键。
减小 PN 结的面积可以降低电容，从而加快响应速度。
此外，采用PIN 结构（即本征层夹在P 型和 N 型半导体之间）能够增加耗尽层的宽度，提高光生载流子的收集效率，进而加快响应速度。
还有一种叫做雪崩光电二极管（APD）的结构，它利用雪崩倍增效应可以实现极高的灵敏度和响应速度，但同时也带来了较高的噪声和复杂的工作电压要求。
降低结电容是提高响应速度的另一个重要途径。
结电容主要由 PN 结的面积和耗尽层的宽度决定。
通过减小 PN 结的面积和增加耗尽层的宽度，可以有效地降低结电容。
这可以通过先进的制造工艺来实现，比如采用更小的光刻尺寸和更精确的掺杂控制。
提高载流子的迁移率也是加快响应速度的有效方法。
这可以通过优化半导体材料的晶体结构和掺杂浓度来实现。
例如，适当增加掺杂浓度可以提高载流子的浓度，从而提高迁移率。
光电二极管
光电二极管又名：photodiode光电二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。
光电二极管与常规的半导体二极管基本相似，只是光电二极管可以直接暴露在光源附近或通过透明小窗、光导纤维封装，来允许光到达这种器件的光敏感区域来检测光信号。
许多用来设计光电二极管的二极管使用了一个PIN结，而不是一般的PN结，来增加器件对信号的响应速度。
光电二极管常常被设计为工作在反向偏置状态。
工作原理一个光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结。
当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上，它将激发一个电子，从而产生自由电子（同时有一个带正电的空穴）。
这样的机制也被称作是内光电效应。
如果光子的吸收发生在结的耗尽层，则该区域的内电场将会消除其间的屏障，使得空穴能够向着阳极的方向运动，电子向着阴极的方向运动，于是光电流就产生了。
实际的光电流是暗电流和光照产生电流的综合，因此暗电流必须被最小化来提高器件对光的灵敏度。
光电压模式当偏置为0时，光电二极管工作在光电压模式，这是流出光电二极管的电流被抑制，两端电势差积累到一定数值。
光电导模式当工作在这一模式时，光电二极管常常被反向偏置，急剧的降低了其响应时间，但是噪声不得不增加作为代价。
同时，耗尽层的宽度增加，从而降低了结电容，同样使得响应时间减少。
反向偏置会造成微量的电流（饱和电流），这一电流与光电流同向。
对于指定的光谱分布，光电流与入射光照度之间呈线性比例关系。
尽管这一模式响应速度快，但是它会引发更大的信号噪声。
一个良好的PIN二极管的泄漏电流很小（小于1纳安），因此负载电阻的约翰逊&mid dot;奈奎斯特噪声（Johnson–Nyqu ist noise）会造成较大的影响。
其他工作模式雪崩光电二极管具有和常规光电二极管相似的结构，但是需要高得多的反向偏置电压。
这将允许光照产生的载流子通过雪崩击穿大量增加，在光电二极管内部产生内部增益，从而进一步改善器件的响应率。
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只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，才 能产生光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在着一个
上限光波长λc
c
hc Eg
1.24 / Eg
（4-1）
可见，λc称为器件的截止波长。
截止波长大于入射光波长 选择检测器
合适的吸收系数
响应度和量子效率
响应度和量子效率是表示光电二极管能量转换效率的参数。 若入射光功率为P0时产生的光电流为Ip，则响应度R0定义为：
APD响应度和量子效率
类型 PIN APD
响应度R R
G*R
量子效率η <1 <1
PIN和APD性能比较
制造工艺 成本
灵敏度 动态范围 偏置电压 暗电流 温度敏感性 适用范围
PIN
APD
简单
复杂
低
高
差
比PIN高3~10dB
稍差（典型15~25dB） 大（典型25~35dB）
低
高
小
较大
小
大（需温度补偿）
量子效率定义为
R0 I p / P0
（4-2）
光电转换产生的电子 空穴对数 I p / e I p hf（4-3）
入射光子数
P0 / hf P0 e
式中e为电子电量，λ为光波长，h为普朗克常数，c为光速。
响应速度
响应速度（响应时间/截止频率）的决定因素： • 光检测电路的上升时间 • 载流子在耗尽层中的渡越时间 • 耗尽区外载流子的扩散时间
中低速中短距离传输， 中高速中长距离传输
或高速率短距离传输
APD结构图
APD倍增因子g和平均倍增
倍增因子是APD内部的电流增益系数。倍增因子g定义为 APD雪崩放大后的输出电流IM和初始光生电流Ip的比值。
g IM IP
（4-4）
倍增因子g也是随机变化的。一般所称的倍增因子是指平
均 倍增G。
G g
（4-5）
式中<g>是表示随机量g的平均值。
电流增益－偏压、温度关系
噪声
光电二极管的噪声包括：散粒噪声和热噪声。 噪声的影响：限制光电二极管所能检测的最小光 功率，降低接收灵敏度。
3. 雪崩光敏二极管APD
光接收机灵敏度：减小噪声的方法，增大信号电流。 雪崩光电二极管：具有内部电流增益的光电转换器件。
雪崩倍增效应：碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载 流子数雪崩似的急剧增加。
4.2 PIN光电二极管和 雪崩光电二极管
1. PIN光电二极管结构及各层电场分布
PIN光电二极管：在PN结中间掺入一层浓度很低 的N型半导体。
2. PIN光电二极管的主要特性
1. 截止波长和吸收系数 2. 响应度和量子效率 3. 响应速度 4. 线性饱和 5. 暗电流 6. 噪声
截止波长和吸收系数
线性饱和
线性饱和：输入光功率超过一定值时，光电转换 不再满足线性关系。
光检测器电路有一定的光功率检测范围。当入射 光功率太大时，光电流和光功率将不成正比，从而 产生非线性失真。
暗电流
处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无光照 时 仍有电流流过，这部分电流称为暗电流。
光电二极管的暗电流分为两部分： 体暗电流 表面暗电流 暗电流的限制了光电二极管所能检测的最小光功率， 也就是降低了接收机的灵敏度。