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

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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 空穴有所积累而影响到器件的响应速度，这时可在突变异质结的中间插入一层缓变层来减小ΔEv的影响）。

2．主要特性 主要特性 ①雪崩增益系数M（也叫倍增因子），对突变结

式中V为反向偏压，VB为体雪崩击穿电压；n与材料、 图1 结构示意图 器件结构及入射波长等有关，为常数，其值为1～3。②增益带宽积，增益较大且频率很高时， M(ω)·ω

式中ω为角频率；N为常数，它随离化系数比缓慢变化；W为耗尽区厚度；Vs为饱和速度；αn及αp分别为电子及空穴的离化系数，增益带宽积是个常数。要想得到高乘积，应选择大Vs，小W及小αn/αp（即电子、空穴离化系数差别要大，并使具有较高离化系数的载流子注入

到雪崩区）。③过剩噪声因子F，在倍增过程中，噪声电流比信号电流增长快，用F表示雪崩过程引起的噪声附加F≈Mx。式中x称过剩噪声指数。要选择合适的M值，才能获得最佳信噪比，使系统达到最高灵敏度。④温度特性，载流子离化系数随温度升高而下降，导致倍增因子减小、击穿电压升高。用击穿电压的温度系数卢描述APD的温度特性。 β=

式中VB及VB0分别是温度为T及T0时的击穿电压。 使用时要对工作点进行温控，要制造均匀的P-N结，以防局部结面被击穿。 3．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/MII

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 和空穴电离率p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与电场强度EJ近似有以下关系：

()mbEAe

式中，A，b，m都为与材料有关的系数。 假定np，可以推出

011DXMdx

式中, DX为耗尽层的宽度。上式表明，当

01DXdx 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，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压BRU.

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()nBRMUU

式中，指数n与PN结得结构有关。对NP结，2n;对PN结，4n。由上式可见，当BRUU时，M，PN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 极管的偏压分为低压和高压两种，低压在几十伏左右，高压达几百伏。雪崩光电二极管的倍增系数可达几百倍，甚至数千倍。 雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线如图所示。从图中可看到，当工作偏压增加时，输出亮电流（即光电流和暗电流之和）按指数显示增加。当在偏压较低时，不产生雪崩过程，即无光电流倍增。所以，当光脉冲信号入射后，产生的光电流脉冲信号很小（如A点波形）。当反向偏压升至B点时，光电流便产生雪崩倍增效应，这时光电流脉冲信号输出增大到最大（如B点波形）。当偏压接近雪崩击穿电压时，雪崩电流维持自身流动，使暗电流迅速增加，光激发载流子的雪崩放大倍率却减小。即光电流灵敏度随反向偏压增加而减小，如在C点处光电流的脉冲信号减小。换句话说，当反向偏压超过B点后，由于暗电流增加的速度更快，使有用的光电流脉冲幅值减小。所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了压低暗电流，会把向左移动一些，虽然灵敏度有所降低，但是暗电流和噪声特性有所改善。 从图中的伏安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有所较小变化时，光电流将有较大变化。另外，在雪崩过程中PN结上的反向偏压容易产生波动，将影响增益的稳定性。所以，在确定工作点后，对偏压的稳定性要求很高。 噪音 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向变得更加随机，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可以近似由公式：

222IqIMf

计算。其中n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3,对于硅管，2.3由于信号电流按M倍增大，而噪声按2nM倍增大。因此，随着M的增大，噪声电流比信号电流增大得更快。 光电探测器是光纤通信和光电探测系统中光信号转换的关键器件,是光电集成电路(OEIC) 接收机的重要组成部分. 随着集成电路计算机辅助设计技术的发展,通过建立PIN 雪崩光电二极管(APD) 的数学模型,并利用计算机对其特性进行分析和研究成为OEIC 设计中的重要组成部分. 目前PIN - APD 的等效电路模型,通常在PSPICE 中模拟实现[1 ,2 ,427 ] . 这种方法能较好的进行直流、交流、瞬态分析. 但无法跟踪反映PIN - APD 工作过程中载流子和光子的变化,同时建模过程中一些虚拟器件的存在和计算使模型特性出现误差. 本文通过求解反偏PIN 结构中各区过剩载流子速率方程,建立数学模型,并对模型参数和器件进行了修正,在Matlab 中进行了模拟计算. 模拟结果和实际测量结果吻合较好。