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PD
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4.1.2 APD光检测器 APD光检测器也称为雪崩光电二极管 （Avalanche Photodiode），其工作机理如下：入射信 号光在光电二极管中产生最初的电子-空穴对，由于光 电二极管上加了较高的反向偏置电压，电子-空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性 原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃 迁到导带上去，于是就产生新的电子-空穴对，新产生 的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。这些二次载流子 同样能在强电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新 的电子-空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过 程。也就是说，一个光子最终产生了许多的载流子，使 得光信号在光电二极管内部就获得了放大。 从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一 个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层 与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光 从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对， 其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应。
图4.1.3 APD光电二极管

与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子， 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流 IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 I M （4.1.4） I 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分 别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 k （4.1.5） k 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对 M的影响可由下式给出，即 1 k M （4.1.6） e k w 1 1 e 当 0 时，仅有电子参与雪崩过程，M ， 增益随w指数增长；当 且k 时，由式 （4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 1 M （4.1.7） 1 (V / V ) 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半 导体材料，该值从70 ～200V 不等；V 为反向偏置电压，一般取其为 VBR 的 80%～90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。
图4.1.1 光检测器的工作原理 左侧入射的信号光透过P＋区进入耗尽区，当PN结上加反向偏置电压时， 耗尽区内受激吸收生成的电子-空穴对分别在电场的作用下做漂移运动，电子向N 区漂移，空穴向P＋区漂移，从而在外电路形成了随光信号变化的光生电流信号。 耗尽区的宽度由反向电压的大小决定。符号P＋表示重掺杂区。
4.1 光检测器的工作原理
光检测器的作用是将接收到的光信号转换成电流信号。其工作过程的基 本机理是光的吸收，见第1章1.1节。当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导 体材料上时，每一个光子若被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，如果 此时在半导体材料上加上电场，电子-空穴对就会在半导体材料中渡越，形成光 电流。图4.1.1说明了光检测器的工作原理。
4.1.1 PIN光检测器 PIN光检测器也称为PIN光电二极管，在此，PIN的意义是表明半导体材料的结构，P+ 和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料（如Si），记为I，称为 本征区，如图4.1.2所示。
图4.1.2 PIN光电二极管 在图4.1.1中，入射光从P+区进入后，不仅在耗尽区被吸收，在耗尽区外也被吸收，它 们形成了光生电流中的扩散分量，如P+区的电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过 耗尽区才能到达N区，同样，N区的空穴也是要扩散到耗尽区的右边界后才能通过耗 尽区到达P+区。我们将耗尽区中光生电流称为漂移分量，它的传送时间主要取决于耗 尽区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所需时间长，结果使光检测 器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。设 w t 耗尽区宽度为w，载流子在耗尽区的漂移时间可由下式计算，即 （4.1.1） v
tr d
v 是载流子的漂移速度；
d
t tr
的典型值为100ps。
如果耗尽区的宽度较窄，大多数光子尚未被耗尽区吸收，便已经到达了N区，而在这 部分区域，电场很小，无法将电子和空穴分开，所以导致了量子效率比较低。
实际上，PN结耗尽区可等效成电容，它的大小与耗尽区宽度的关系如下： A C （4.1.2） w 式中， 是半导体的介电常数；A是耗尽区的截面积。Cd的典型值为1～2pF。可见， 耗尽区宽度w越窄，结电容越大，电路的RC时间常数也越大，不利于高速数据传输。 考虑到漂移时间和结电容效应，光电二极管的带宽可以表示成 1 B （4.1.3） 2( w / v ) R (A / w) 式中，RL是负载电阻。 由上述分析可知，增加耗尽区宽度是非常有必要的。 由图4.1.2可见，I区的宽度远大于P+区和N区宽度，所以在I区有更多的光子被吸收， 从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以取较小的 值，因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。 当然，I 区的宽度也不是越宽越好，由式（4.1.1）和式（4.1.3）可知，宽度w越大， 载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于 不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同。 例如 Si PIN 光吸收系数比 InGaAs PIN 小两个数量级，所以它的本征区宽度大约是 40m，而InGaAs PIN本征区宽度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检 测器带宽和使用的光波段范围不同， Si PIN 用于 850nm 波段， InGaAs PIN 则用于 1310nm和1550nm波段。