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PIN光电二极管光电二极管 由于由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体浓度很低的本征半导体(称为称为I)，这种结构便是常用的，这种结构便是常用的PIN光电二极管。光电二极管。 PIN光电二极管的工作原理和结构见图光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图和图3.21。中间的。中间的I层是层是N型型掺杂浓度很低的本征半导体，用掺杂浓度很低的本征半导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和型和N型半导体，用型半导体，用P+和和N+表示。表示。I层很厚，层很厚， 吸收系数很大，入射光很容易进吸收系数很大，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧转换效率。两侧P+层和层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据层几乎占据整个耗尽层，整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。，来改变器件的响应速度。 图3. 21 PIN光电二极管结构抗反射膜光电极(n)PNE电极APD (Avalanche photo diodes)雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 反向偏压U光电流暗电流输出光电流I00UB光电二极管输出电光电二极管输出电流流I和反偏压和反偏压U的关的关系示于图系示于图3.24。 随随着反向偏压的增加，着反向偏压的增加，开始光电流基本保开始光电流基本保持不变。当反向偏持不变。当反向偏压增加到一定数值压增加到一定数值时，光电流急剧增时，光电流急剧增加，最后器件被击加，最后器件被击穿，这个电压称为穿，这个电压称为击 穿 电 压击 穿 电 压 UB。APD就是根据这种就是根据这种特性设计的器件。特性设计的器件。 图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压反向偏压U的关系的关系 噪声电流和带宽的关系2idfincndi上截止频率下截止频率5.6/ipAHz例子：250incinA根据光电效应，当光入射到根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子结时，光子被吸收而产生电子 - 空穴对。如果电压增加到使电场达到空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电以上，初始电子子(一次电子一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动在高电场区获得足够能量而加速运动。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。空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增崩式倍增，见图，见图3.25。所以这种。所以这种器件就称为器件就称为雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。 I0NPP(N)光 图图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图载流子雪崩式倍增示意图 APD的结构有多种类型，如图的结构有多种类型，如图3.26示出的示出的N+PP+结构被结构被称为拉通型称为拉通型APD。在这种类型的结构中，当偏压加大到一定。在这种类型的结构中，当偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到值后，耗尽层拉通到(P)层，一直抵达层，一直抵达P+接触层，是一种全接触层，是一种全耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管(RAPD)具有光电转换效具有光电转换效率高、响应速度快率高、响应速度快和附加噪声低等优点。和附加噪声低等优点。 电极电极光抗反射膜NPP(P)E图3.26 APD结构图1. 倍增因子倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，放大作用， 并把倍增因子并把倍增因子g定义为定义为APD输出光电流输出光电流Io和一和一次次光生电流光生电流IP的比值。的比值。 PIIg0APD的响应度比的响应度比PIN增加了增加了g倍。倍。)(0WAhfePIP响应度的定义为响应度的定义为一次光生电流一次光生电流IP和入射光功率和入射光功率P0的比值的比值 根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，g可可以表示为：以表示为： nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100 式中，式中，U为反向偏压，为反向偏压，UB为击穿电压，为击穿电压，n为与材料特性和为与材料特性和入射光波长有关的常数，入射光波长有关的常数，R为体电阻。当为体电阻。当UUB时，时，RIo/UB1)是雪崩效应是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪的均方量子噪声电流应为声电流应为 i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中，式中， x为附加噪声指数。为附加噪声指数。 同样，同样，APD暗电流产生的均方噪声电流为暗电流产生的均方噪声电流为 i2d=2eIdBg2+x (3.27) 附加噪声指数附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关与器件所用材料和制造工艺有关， SiAPD x=0.30.5， GeAPD x=0.81.0， InGaAs x=0.50.7。 当式当式(3.26)和式和式(3.27)的的g=1时，得时，得到的结果和到的结果和PIN相同。相同。 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用 表表3.3和表和表3.4列出半导体光电二极管列出半导体光电二极管(PIN和和APD)的一般的一般性能。性能。 APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用有利于延长系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。 Si-PIN和和APD用于短波长用于短波长(0.85m)光纤通信系统。光纤通信系统。InGaAsPIN用于长波长用于长波长(1.31 m和和1.55 m)系统，性能非常系统，性能非常稳定，通常把它和使用场效应管稳定，通常把它和使用场效应管(FET)的前置放大器集成在的前置放大器集成在同一基片上，构成同一基片上，构成FET-PIN接收组件，以进一步提高灵敏度，接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。改善器件的性能。这种组件已经得到广泛应用。新近研究的这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGaAs-APD的特的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几点是响应速度快，传输速率可达几到十几Gb/s，适用于超高，适用于超高速光纤通信系统。速光纤通信系统。APD探测器特性和应用 1、APD探测是主要应用在长距离传输。 2、APD灵敏度高。 3、APD的工作需要高压电路。 4、相对PIN来说APD更容易出现过载损伤。 5、在没有高压的情况下严禁加上大于1mW的光。 6、在95%Vbr下禁止加入大于-3dBm的光。 备注：只要出现这两种情况，就有可能导致APD失效。