雪崩光电探测器

雪崩光电探测器

雪崩光电探测器光电探测器是将光信号转变为电信号的器件，雪崩光电探测器采用的即是雪崩光电二极管(APD) ，能够具有更大的响应度。APD将主要应用于长距离或接收光功率受到其它限制而较小的光纤通信系统。目前很多光器件专家对APD 的前景十分看好，认为APD 的研究对于增强相关领域的国际竞争力，是十分必要的。雪崩光电探测器的材料1)Si Si 材料技术是一种成熟技术，广泛应用于微电子领域，但并不适合制备目前光通信领域普遍接受的 1.31mm,1.55mm 波长范围的器件。

2)Ge

Ge APD 虽然光谱响应适合光纤传输低损耗、低色散的要求，但在制备工艺中存在很大的困难。而且，Ge的电子和空穴的

离化率比率( )接近1，因此很难制备出高性能的APD 器件。

3)In0.53Ga0.47As/InP

选择In0.53Ga0.47As 作为APD 的光吸收层，InP 作为倍增层，是一种比较有效的方法[2] 。In0.53Ga0.47As 材料的吸收峰值在 1.65mm, 在 1.31mm,1.55mm 波长有约为104cm-1 高吸收系数，是目前光探测器吸收层首选材料。In0.53Ga0.47As 光电二极管比起Ge 光电二极管，有如下优点：（1）

In0.53Ga0.47As 是直接带隙半导体，吸收系数高；（2）

In0.53Ga0.47As 介电常数比Ge 小，要得到与Ge 光电二极管相

同的量子效率和电容，可以减少In0.53Ga0.47As 耗尽层的厚度，因此可以预期In0.53Ga0.47As/InP 光二极管具有高的效应和响应；（3）电子和空穴的离化率比率（）不是1，也就是说In0.53Ga0.47As/InP APD 噪声较低；（4）

In0.53Ga0.47As 与InP 晶格完全匹配，用MOCVD 方法在InP 衬底上可以生长出高质量的In0.53Ga0.47As 外延层，可以显着的降低通过p-n 结的暗电流。（5）In0.53Ga0.47As/InP 异质结构外延技术，很容易在吸收区生长较高带隙的窗口层，由此可以消除表面复合对量子效率的影响。

4）InGaAsP/InP

选择InGaAsP 作为光吸收层，InP 作为倍增层,可以制备响应波长在1-1.4mm ，高量子效率，低暗电流，高雪崩增益得的APD 。通过选择不同的合金组分，满足对特定波长的最佳性能。

）InGaAs/InAlAs

ln0.52AI0.48As 材料带隙宽（1.47 eV）,在 1.55 mm 波长范围不吸收，有证据显示，薄In0.52Al0.48As 外延层在纯电子注入的条件下，作为倍增层材料，可以获得比lnP 更好的增益特性。

6）InGaAs/InGaAs（P）/InAlAs 和InGaAs/In（Al ）GaAs/InAlAs 材料的碰撞离化率是影响APD 性能的重要因素。研究表明[6] ，可以通过引入InGaAs（P）/InAlAs 和In（Al ）GaAs/InAlAs 超晶格结构提高倍增层的碰撞离化率。应用超晶格结构这一能带工程可以人为控制导带和价带值间的非对称性带边不连续性，并保证

导带不连续性远远大于价带不连续性（△Ec>> △ Ev）。与InGaAs 体材料相比，InGaAs/lnAIAs 量子阱电子离化率（a）明显增加，电子和空穴获得了额外能量，由于△ Ec>> △ Ev,可以预期电子所获得的能量使电子离化率的增加量远远大于空穴能量对空穴离化率（b）的贡献，电子离化率与空穴离化率的比率（k）增加。因此，

应用超晶格结构可以获得大的增益-带宽积（GBW ）和低噪

声性能。然而，这种可以使k 值增加的InGaAs/InAIAs 量子阱结构APD 很难应用在光接收机上。这是因为影响最大响应度的倍增因子受限于暗电流，而不是倍增噪声。在此结构中，暗电流主要是由窄带隙的InGaAs 阱层的隧道效应引起，因此，引入宽带隙的四元合金，比如InGaAsP 或InAIGaAs, 代替InGaAs 作为量子阱结构的阱层可以抑制暗电流。

在相同的电场下，超晶格结构可以大大提高k,表明超晶格结

构的器件具有更大的信噪比。研究表明，InAIGaAs/InAIAs 量子阱结构的平均能隙为 1.32 eV, InAIGaAs 和InAIAs 的带隙值分别为1.13 eV和1.47 eV,量子阱结构的能隙值介于

InAlGaAs 和InAlAs 的带隙值之间。量子阱结构的空穴离化率近似等于InAlGaAs 和InAlAs 空穴离化率的平均值，因此InAlGaAs/InAlAs 结构的空穴离化率可以用带隙差来很好的解释。然而对于电子离化率来说，量子阱结构比InAlGaAs 和InAlAs 的值都大。这种差异表明电子碰撞离化率的增加是由于大的导带差

（△ Ec）引起的。在InGaAsP/lnAIAs 异质结中，这种大的导带差更为明显，而价带的差异通过P 的引入几乎消失，预期InGaAsP/InAIAs APD 具有更大的电子碰撞离化率。

雪崩光电探测器的芯片结构合理的芯片结构是高性能器件的基本保证。APD 结构设计主要考虑RC 时间常数,在异质结界面的空穴俘获,载流子通过耗尽区的渡越时间等因素。下面对其结构的发展作一综述：

1）基本结构

最简单的APD结构是在PIN光电二极管的基础上，对P区和N 区都进行了重掺杂，在邻近P 区或N 区引进n 型或p 型倍憎区，以产生二次电子和空穴对，从而实现对一次光电流的放大作用。对于InP 系列材料来说，由于空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数，通常将N 型掺杂的增益区置于P 区的位置。在理想情况下，只有空穴注入到增益区，所以称这种结构为空穴注入型结构。

2）吸收和增益区分开

由于InP 宽带隙特性（InP 为 1.35eV, InGaAs 为0.75eV ），通常以InP 为增益区材料，InGaAs 为吸收区材料。

3）分别吸收、渐变、增益（SAGM ）结构的提出目前商品化的APD 器件大都采用InP/InGaAs 材料，InGaAs 作为吸收层，InP 在较高电场下（>5x105V/cm）下而不被击穿，可以作为增益

区材料。对于该材料，所以这种APD 的设计是雪崩过程由空穴碰撞而在n 型InP 中形成。考虑到InP 和InGaAs 的带隙差别较大,价带上大约0.4eV 的能级差使得在InGaAs 吸收层中产生的空穴，在达到InP 倍增层之前在异质结边缘受到阻碍而速度大大减少，从而这种APD 的响应时间长，带宽很窄。这个问题可以在两种材料之间加InGaAsP 过渡层而得到解决。

4）分别吸收、渐变、电荷和增益（SAGCM ）结构的提出为了进一步调节吸收层和增益层的电场分布，在器件设计中引入了电荷层，这种改进大大的提高了器件速率和响应度。

5）谐振腔增强型（RCE） SAGCM 结构在以上传统探测器的优化设计中，必须面临这样一个事实：即吸收层的厚度对器件速率和量子效率是一个矛盾的因素。薄的吸收层厚度可以减少载流子渡越时间，因此可以获得大的带宽；然而，同时为了得到更高的量子效率，需要吸收层具有足够的厚度。解决这个问题可以采用谐振腔（RCE ）结构，即在器件的底部和顶部设计DBR (distribud Bragg Reflector) 。这种DBR 反射镜在结构上包括低折射率和高折射率的两种材料，二者交替生长，各层厚度满足在半导体中入射光波长的1/4。这种谐振腔结构的探测器在满足速率要求的前提下，吸收层厚度可以做得很薄，而且电子在经过多次反射后，量子效率增加。

由于GaAs/AlAs 谐振腔工艺的成熟，目前这种结构的器件以

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

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。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（1.3μn，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1.55μn 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。 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ΔEv的存在，将使光生

光电探测器原理

光电探测器原理

光电探测器原理及应用 光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。 光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。他们的区别在于，内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料 内部轰击出来，而只是将光电材料内部的光 电子从低能态激发到高能态。于是在低能态 留下一个空位——空穴，而高能态产生一个 自由移动的电子，如图二所示。 硅光电探测器是利用内光电效应的。 由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。 无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关： E=hν（1） 式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。 目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。 半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。 一、耗尽层光电二极管 在半导体中，电子并不处于单个的分裂 能级中，而是处于能带中，一个能带有许多

雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用

可编程器件应用 电　子　测　量　技　术 EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第30卷第2期2007年2月　 雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用 孙懋珩　丁　燕 (同济大学电子与信息工程学院　上海　200092) 摘　要:雪崩光电二极管作为光敏接收器件,特别适合用于微弱信号的接收检测,它在相位式激光测距系统中用来接收经过漫反射后微弱的激光信号。针对雪崩二极管反向偏压电路中高纹波的问题,本文设计和分析了一种高效的低纹波偏压电路,实验结果表明,该方法有效抑制了纹波电压。针对雪崩二极管温度漂移的问题,本文设计和分析一种新型的温度补偿电路,使雪崩二极管达到了最佳雪崩增益。针对雪崩二极管噪声问题,分析了主要噪声源,设计了一个低噪声的前置放大电路,实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。综合实验结果表明,这些电路设计对于提高相位式激光测距仪的测量精度是有效的。 关键词:雪崩光电二极管;相位式激光测距;纹波;温度补偿;前置放大电路 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A Study on application of avalanche photodiode in phase laser distance measurement Sun Maoheng　Ding Yan (School of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai200092) Abstract:As a light2sensitive device,avalanche photodiode is particularly suitable for the receiving and detection of weak signal.Therefore,it is always used to receive weak laser signal in the phase laser distance measuring system.To solve the problem of high ripple in the bias voltage circuit,a high efficient circuit with low ripple is designed and analyzed which restrains the ripple effectively.To solve the problem of temperature drift,a new circuit with temperature compensation is designed and analyzed which enables A PD to reach the optimal avalanche gain.To solve the problem of noise,the major noises of A PD are analyzed and a preamplifier circuit with low noise is designed which raise the signal2 to2noise ratio effectively.The results of the experiment indicate that these circuit designs raise the measuring accuracy of the phase laser distance measuring system effectively. K eyw ords:avalanche photodiode;phase laser distance measurement;ripple;temperature compensation;preamplifier 0　引 言 在相位式激光测距仪的激光接收部分中,雪崩二极管作用非常关键。在激光测距仪中,激光从发射到接收,由于经过目标的漫反射以及衰减,接收到的激光信号非常微弱,使得接收检测相对较为困难,所以一般都用雪崩光电二极管作为光敏接收器件[1]。雪崩二极管具有很高的内部增益,响应速度非常快,但要使雪崩二极管发挥其优异的特性,必须给它提供一个较高的反向偏置电压(一般在几十伏以上甚至几百伏。一般的开关电源可以达到这么高的电压要求,但伴随着会有相对较大纹波电压,电源的纹波电压变化范围越大,对雪崩二极管的影响就越大,它会严重影响到雪崩二极管的最佳增益。针对这一情况,本文提出的一种高效的低纹波偏压电路是通过从高压输出端引出一个反馈电路,直接反馈到高压电路的电源端,通过改变电源电压来改变高压输出。在实验中测得的输出高压的纹波与之前未经低纹波设计的高压电路相比,纹波电压得到了很好的抑制。对于雪崩二极管来说,一个小小的温度变化就能引起增益的很大变化,为了保证温度变化时增益值不变,就必须改变PN结倍增区的电场,因此必须接入一个温度补偿电路,在温度变化时来调整光检测器的偏置电压。本文设计了一个新型的温度补偿电路,用一个模拟温度传感器及一个运放,通过简单的计算公式进行参数配置,最终得出一条与A PD最佳增益非常匹配的反向高压输出曲线。雪崩二极管在倍增过程中产生的附加噪声会大大降低测量的性能,为达到最大信噪比,提高相位式激光测距仪的测量精度,本文对其噪声进行了分析并且设计了一个有效的前置放大电路。实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。将这些电路在相位式激光测距仪接收模块中应用,结果表明,它们对于提高相位式激光测

面向50 Gbps及以上光通信应用的新原理高速雪崩光电二极管的研究

面向50 Gbps及以上光通信应用的新原理高速雪崩光电二极管的 研究 从二十一世纪开始,光通信技术日渐成熟,信息交互需求也与日 俱增,因此,光通信系统必须不断地提高自己的承载能力和处理能力。在二十一世纪初,通信系统对光通信芯片提出的要求是4×10 Gbit/s,到了 2007年,这一要求便被提升到了 4×25G bit/s,从2014年以来,4G网络已经普及化,传统的25 Gbps的光通信芯片已经不能满足系统的需求,这时就需要研发出大于40 Gbps,甚至大于50 Gbps的芯片来填补这一空白。雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD) 因为具有高响应度的特点,在接受模块中被广泛应用。在APD中,空穴和电子参与碰撞离化,产生后续的空穴或电子。在电压较高的情况下,倍增区内的碰撞离化进行地更剧烈,产生的增益更高,但是APD的响 应时间也更长;如果降低APD两端所加的电压,APD的响应速度得到了提升,但是牺牲了增益数值。因此,在APD中存在着增益-带宽积的限制瓶颈,传统的采用InP或InAlAs作倍增层的APD的极限增益-带宽积分别在80～120 GHz和105～160 GHz之间,这两种结构的APD很难满足大于50 GHz光通信的要求。除了雪崩建立时间之外,限制APD往更高速发展的因素还有RC常数、载流子渡越时间、材料的等效k值等等,因此,本文将要从多个角度出发,探寻使APD突破50 G带宽的新原理及新方法。在本文中,提出了采用三维结构倍增区来提升APD带宽的方法,为了给新的结构提供理论支持,在本文中完善了三维Dead Space理论,通过分析不同电场线上的碰撞离化过程并优化电场分布,

雪崩光电探测器

雪崩光电探测器 雪崩光电探测器光电探测器是将光信号转变为电信号的器件，雪崩光电探测器采用的即是雪崩光电二极管(APD) ，能够具有更大的响应度。APD将主要应用于长距离或接收光功率受到其它限制而较小的光纤通信系统。目前很多光器件专家对APD 的前景十分看好，认为APD 的研究对于增强相关领域的国际竞争力，是十分必要的。雪崩光电探测器的材料1)Si Si 材料技术是一种成熟技术，广泛应用于微电子领域，但并不适合制备目前光通信领域普遍接受的 1.31mm,1.55mm 波长范围的器件。 2)Ge Ge APD 虽然光谱响应适合光纤传输低损耗、低色散的要求，但在制备工艺中存在很大的困难。而且，Ge的电子和空穴的 离化率比率( )接近1，因此很难制备出高性能的APD 器件。 3)In0.53Ga0.47As/InP 选择In0.53Ga0.47As 作为APD 的光吸收层，InP 作为倍增层，是一种比较有效的方法[2] 。In0.53Ga0.47As 材料的吸收峰值在 1.65mm, 在 1.31mm,1.55mm 波长有约为104cm-1 高吸收系数，是目前光探测器吸收层首选材料。In0.53Ga0.47As 光电二极管比起Ge 光电二极管，有如下优点：（1） In0.53Ga0.47As 是直接带隙半导体，吸收系数高；（2） In0.53Ga0.47As 介电常数比Ge 小，要得到与Ge 光电二极管相

同的量子效率和电容，可以减少In0.53Ga0.47As 耗尽层的厚度，因此可以预期In0.53Ga0.47As/InP 光二极管具有高的效应和响应；（3）电子和空穴的离化率比率（）不是1，也就是说In0.53Ga0.47As/InP APD 噪声较低；（4） In0.53Ga0.47As 与InP 晶格完全匹配，用MOCVD 方法在InP 衬底上可以生长出高质量的In0.53Ga0.47As 外延层，可以显着的降低通过p-n 结的暗电流。（5）In0.53Ga0.47As/InP 异质结构外延技术，很容易在吸收区生长较高带隙的窗口层，由此可以消除表面复合对量子效率的影响。 4）InGaAsP/InP 选择InGaAsP 作为光吸收层，InP 作为倍增层,可以制备响应波长在1-1.4mm ，高量子效率，低暗电流，高雪崩增益得的APD 。通过选择不同的合金组分，满足对特定波长的最佳性能。 ）InGaAs/InAlAs ln0.52AI0.48As 材料带隙宽（1.47 eV）,在 1.55 mm 波长范围不吸收，有证据显示，薄In0.52Al0.48As 外延层在纯电子注入的条件下，作为倍增层材料，可以获得比lnP 更好的增益特性。 6）InGaAs/InGaAs（P）/InAlAs 和InGaAs/In（Al ）GaAs/InAlAs 材料的碰撞离化率是影响APD 性能的重要因素。研究表明[6] ，可以通过引入InGaAs（P）/InAlAs 和In（Al ）GaAs/InAlAs 超晶格结构提高倍增层的碰撞离化率。应用超晶格结构这一能带工程可以人为控制导带和价带值间的非对称性带边不连续性，并保证

雪崩光电二极管的特性

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： 0/M I I = 式中I 为倍增输出电流，0I 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 α 和空穴电离率p α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α与电场强度E J 近似有以下关系： ( ) m b E Ae α-= 式中，A ，b ，m 都为与材料有关的系数。 假定n p ααα==，可以推出 0 1 1D X M dx α= - ? 式中, D X 为耗尽层的宽度。上式表明，当 1D X dx α→? 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，P N 结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压B R U . 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 11() n BR M U U = - 式中，指数n 与P N 结得结构有关。对N P +结，2n ≈;对P N + 结，4n ≈。由上式可见， 当BR U U →时，M →∞，P N 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

光电探测器

光电子技术论文报告 班级： 姓名： 学号： 成绩： 指导教 师： 完成日 期

本文主要对光电探测器进行探究，重点介绍光电二极管和光电倍增管，光电二极管中主要介绍PIN 光电二极管和雪崩光电二极管。对相应的光电探测器的结构、原理、特性参数及应用范围等展开探讨，以进一步了解光电探测器。 关键词：PIN 光电二极管雪崩光电二极管光电倍增管

第一章引言 (1) 第二章光电二极管 (2) 2.1P IN 光电二极管 . (2) 2.1.1工作原理 (2) 2.1.2结构 (2) 2.1.3影响因素 (3) 2.2雪崩光电二极管 (3) 2.2.1工作原理 (3) 2.2.2影响响应速度的因素 (4) 2.2.3优点 (4) 第三章光电倍增管 (5) 3.1结构 (5) 3.2使用特性 (5) 第四章结论与讨论 (9) 第五章参考文献 (10)

第一章引言光电探测器是指在光辐射作用下将其非传导电荷变为传导电荷的一类器件。广义的光电探测器包括所有将光辐射能转变为电信号的一类器件。光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。本文着重介绍光子探测器中的光电二极管和光电倍增管。

第二章光电二极管 光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。光电二极管是在反向电压作用之下工作的，在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 2.1P IN 光电二极管 PIN型光电二极管也称PIN 结二极管、PIN 二极管，在两种半导体之间的PN 结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点 2.1.1工作原理 在上述的光电二极管的PN 结中间掺入一层浓度很低的N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征( Intrinsic)半导体，故称I 层，因此这种结构成为PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I 层两侧是掺杂浓度很高的P 型和N 型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 2.1.2结构 在P 型半导体和N 型半导体之间夹着一层本征半导体。因为本征层相对于P 区和N 区是高阻区这样，PN 结的内电场就基本上全集中于I 层中。如 图所示：

半导体雪崩光电二极管(精)

半导体雪崩光电二极管 半导体雪崩光电二极管 semiconductor avalanche photodiode 具有内部光电流增益的半导体光电子器件，又称固态光电倍增管。它应用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。这种器件具有小型、灵敏、快速等优点，适用于以微弱光信号的探测和接收，在光纤通信、激光测距和其他光电转换数据处理等系统中应用较广。 当一个半导体二极管加上足够高的反向偏压时，在耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增。人们最初在研究半导体二极管的反向击穿机构时发现了这种现象。当载流子的雪崩增益非常高时，二极管进入雪崩击穿状态；在此以前，只要耗尽层中的电场足以引起碰撞电离，则通过耗尽层的载流子就会具有某个平均的雪崩倍增值。 碰撞电离效应也可以引起光生载流子的雪崩倍增，从而使半导体光电二极管具有内部的光电流增益。1953年，K.G.麦克凯和K.B.麦卡菲报道锗和硅的PN结在接近击穿时的光电流倍增现象。1955年，S.L.密勒指出在突变PN结中，载流子的倍增因子M随反向偏压V的变化可以近似用下列经验公式表示 M＝1/[1-(V/VB)n] 式中VB是体击穿电压,n是一个与材料性质及注入载流子的类型有关的指数。当外加偏压非常接近于体击穿电压时，二极管获得很高的光电流增益。PN结在任何小的局部区域的提前击穿都会使二极管的使用受到限制，因而只有当一个实际的器件在整个PN结面上是高度均匀时，才能获得高的有用的平均光电流增益。因此，从工作状态来说，雪崩光电二极管实际上是工作于接近（但没有达到）雪崩击穿状态的、高度均匀的半导体光电二极管。1965年，K.M.约翰逊及L.K.安德森等分别报道了在微波频率下仍然具有相当高光电流增益的、均匀击穿的半导体雪崩光电二极管。从此，雪崩光电二极管作为一种新型、高速、灵敏的固态光电探测器件渐渐受到重视。 性能良好的雪崩光电二极管的光电流平均增益嚔可以达到几十、几百倍甚至更大。半导体中两种载流子的碰撞离化能力可能不同，因而使具有较高离化能力的载流子注入到耗尽区有利于在相同的电场条件下获得较高的雪崩倍增。但是，光电流的这种雪崩倍增并不是绝对理想的。一方面，由于嚔随注入光强的增加而下降，使雪崩光电二极管的线性范围受到一定的限制，另一方面更重要的是，由于载流子的碰撞电离是一种随机的过程，亦即每一个别的载流子在耗尽层内所获得的雪崩增益可以有很广泛的几率分布,因而倍增后的光电流I比倍增前的光电流I0有更大的随机起伏，即光电流中的噪声有附加的增加。与真空光电倍增管相比，由于半导体中两种载流子都具有离化能力，使得这种起伏更为严重。一般将光电流中的均方噪声电流〈i戬〉表示为 〈i戬〉＝2qI0嚔2F(嚔)B