雪崩光电二极管的特性

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1、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/MI式中 为倍增输出电流， 为倍增前的输出电流。I0I雪崩倍增系数 与碰

2、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 和空穴电离率n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pJ 近似有以下关系：E()mbEAe式中， ， ， 都为与材料有关的系数。Abm假定 ，可以推出np01DXMdx式中, 为耗尽层的宽度。上式表明，当DX01DXx时， 。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，M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。当时， 结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压 .PNBRU实验发现，在反向偏压略低于击穿电

3、压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这时的值较小， 随反向偏压 的变化可用经验公式近似表示为U1()nBRM式中，指数 与 结得结构有关。对 结， ;对 结， 。由上式可见，nPNNP2N4n当 时， ， 结将发生击穿。BRU 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

4、，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

5、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 结上的反向偏PN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： 22IqMf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。表中 InGaAs 为 ，InAlAs 为AsGaIn53.047.，InGa

6、AsP 为 。AslIn52.048. 26.074.1.089. PAsGaIn为提高数据处理精度，引入归一化常数（可看作是一个电容）,并令 ,pnipiononoqNPVVCC（1）- （4）式可化为pinoppdIRtR（6）innonPVCIdt（7）iniiioanntIRtR（8）其中， (1)exp()opnhqW()()nionpRex(1)()noi ihq ，pnoRCno，nttr，iitIV()anoinpIV由于 n，p 两区的少子分布与 ， ， 及时间的依赖关系很复杂，这里假定其空间iP分布形式（函数形式）与时间无关，即稳态和瞬态具有同一空间分布函数形式，对时间的依

7、赖由 ， ， 来体现。这样可由稳态结果得到 ， 与 ， ， 的关系：inPVp nIpinPVn，ndinoIRPIppdioVR，()1ndpchWL()1dnpchWL()onnnppqNIs1()nonpppPLchI2 2()1exp()1(1)ex 1npnpnin pp nnLchWWqRWhsLchL2 2()ex()()() ()pnnnpp nnppnnLcs其中， ， 分别为 p 区电子，n 区空穴的扩散长度。npAPD 的端电流为JJPiTdVIICIt（9）其中， ， 为寄生电容， ， 为真空介电常数， 为材料TsJCs 0JsiAW0s相对介电常数，A 为垂直电场方向

8、器件的截面积， 为结电压。 为隧穿电流与其他寄生JVdI漏电流之和，可写为1 2()exp()JBIiJdI JBIdAVIWR *3124cgmEqh*2cgq上式第一项为隧穿电流，当反偏压较高时起主要作用，第二项为寄生漏电流。 为电子的*cm有效质量， 为一个于隧穿势垒的形状有关的参数，对于带-带隧穿过程， 接近 1， 为 hPlanck 常数除以 ， 为带隙， 为寄生漏电阻。2gEdR考虑 APD 的寄生串联电阻 ，由（6-9）式可得如图 2 所示的 APD 电路模型。这里应说明的是，用此模型编写直流模拟程序时，必须满足条件，否则得到的解是没有意义的。此外 这个条件可得到击穿电压。1np

9、nrt本模型对于 i 区为量子阱或超晶格结构也适用，只是离化率和漂移速度要采用加权平均的形式 ， Wb()Wbb其中， ， ， ， ， ， 分别为阱和垒材料的离化率，载流子漂移速度及阱Wbbb和垒区的宽度（对于周期结构，为一个周期内的宽度，对于非周期结构为总宽度）离化率主要以窄带隙材料为主。2. 模拟实例为验证模型，这里对一种 PIN-0.45.InGaAsInPAPD 的暗电流特性和脉冲响应特性进行了模拟，并与相关文献的实验结果进行了比较。所用的模型参数见下表，比较结果见图 3 和图 4.图 3 给出暗电流特性，实线为模拟结果， “*”为其他文献报道的实验结果，图中可见二者符合较好。对于小的

10、偏压，暗电流以扩散电流和寄生漏电流为主，对大的偏压，暗电流表现为隧穿电流)该器件的击穿电压为 80.5 V。 图 4 给出脉冲响应特性。输入信号宽度为 10ps 峰值功率 1mW 的 形脉冲，偏压为Gaus50V，取样电阻为 5 0 SZ，光由 P 区人射。由图可见，模拟结果与实验结果比较符合。这个器件本身的电容比较小，寄生电容对波形的影响比较大。图中给出 和 两条1sCpF.5模拟曲线，对应的半峰全宽（FWHM）分别为 150 ps 和 175 ps，其他文献给出的结果为140ps.由以上比较结果可见，这里给出的 PIN-APD 电路模型能比较好的预测器件的性能.此外，这里还给出了对这个器件

11、的其它模拟结果。见图 5-7.图 5 给出对应不同光功率的光电流曲线。在很大的偏压范围内，曲线都比较平坦，只有在接近击穿电压时，光电流才随偏压的提高而增大，这主要是隧穿电流造成的。图 6 给出 1 输入光功率情况下的量子效率随W偏压的变化关系。这里量子效率定义为光生电子一空穴对数与人射光子数之比。当偏压小于 55 V 时，量子效率基本保持为 40%，随偏压升高，量子效率迅速增大，对应 80 V 的量子效率为 ，图 7 给9.45%出不同偏压下的脉冲响应，条件同图 4。由图可见，随偏压的增大，响应幅度增大,增大，这是由于雪崩效应造成的。当偏压接近击穿电压时，该器件已不能响应这样FWHM短的脉冲。3.结论针对 PIN 结构的特殊性，作了适当的假设，以载流子速率方程为基础，把 PIN-APD 用一个完全由电子元件构成的三端等效电路来等效，把光学量用电学量来处理，从而可用现有的电路模拟技术来模拟 PIN-APD,本文给出的 PIN-APD 电路棋型可用于直流、交流、瞬态分析，它可加人到现有电路摸拟软件中.亦可在开发 OEIC CAA 软件中采用。