雪崩光雪崩光电二极管二极管 （（APD）） 目目录录•名词释义•工作原理•制造材料的选择•结构•特性参数•PIN光电二极管和APD光电二极管的比较•应用 名名词释义词释义——APD APD是激光通信中使用的光敏元件在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流加大反向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管” 工作原理工作原理——APD 雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏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高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子－空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子－空穴对，此过程像“雪崩”似地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数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加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 - 空穴对新产生的二次电子再次和原子碰撞。
如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD) 雪崩光雪崩光电二极管是利用二极管是利用PN结在高反向在高反向电压下下产生的雪崩效生的雪崩效应来工作的一种二极管来工作的一种二极管 制造材料的制造材料的选择选择•理论上，在倍增区中可采用任何半导体材料•硅材料适用于对可见光和近红外线的检测，且具有较低的倍增噪声（超额噪声）•锗材料可检测波长不超过1.7µm的红外线，但倍增噪声较大•InGaAs材料可检测波长超过1.6µm的红外线，且倍增噪声低于锗材料它一般用作异构二极管的倍增区该材料适用于高速光纤通信，商用产品的速度已达到10Gbit/s或更高•氮化镓二极管可用于紫外线的检测•HgCdTe二极管可检测红外线，波长最高可达14µm，但需要冷却以降低暗电流使用该二极管可获得非常低的超额噪声 结结构构——APD•1、拉通型硅雪崩光电二极管（RAPD） 构成了拉通型结构，π层为接近本征态的低掺杂区，而且很宽当偏压加到一定程度后，耗尽区将被拉通到π层，一直抵达 层 结结构构——APD2、保护环型硅雪崩光电二极管（GAPD） 其雪崩增益与反向偏压间的非线性关系非常突出，所以具有很高的响应度的优点。
要想得到足够大的增益，GAPD 必须工作在接近击穿电压处，但击穿电压对温度的变化十分敏感，因此有了增益对温度变化很敏感的缺点 结结构构——APD3、SAGM型APD 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（1.3μm，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1.55μm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 特性参数特性参数——APD1、平均雪崩增益G式中，是雪崩增益后输出电流的平均值，是未倍增时的初始光生电流；V是APD的反向偏压，是二极管击穿电压，是APD的串联电阻，m是由APD的材料和结构决定的（一般为2.5-7）。
实际上雪崩过程是统计过程，并不是每一个光子都经过了同样的放大，所以G只是一个统计平均值，一般在40-100之间2、响应度式中，为量子效率等式意义为单位入射光功率所产生的短路光电流，表征光电二极管的转换效率 特性参数特性参数——APD3、过剩噪声因子F 在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源，通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声 式中，x是过剩噪声指数其与器件所用材料和制造工艺有关Si-APD的x在之间，Ge-APD的x在之间，InGaAs-APD的x在之间 Si，，Ge，，InGaAs雪崩光雪崩光电二极管的二极管的通用工作特性参数通用工作特性参数参数参数符号符号单位单位SiGeInGaAs波长范围nm400-1000 800-1650 1100-1700雪崩增益G-20-40050-20010-40暗电流nA0.1-150-50010-50上升时间tns0.1-20.5-0.80.1-0.5增益带宽积G*BGHz100-4002-1020-250 PIN光光电电二极管和二极管和APD光光电电二极管的比二极管的比较较PIN二极管特点：•结构构简单•可靠性高，可靠性高，电压低，低，使用方便使用方便•量子效率高量子效率高•噪声小噪声小•带宽较高高APD二极管特点：•灵敏度高灵敏度高•高增益高增益•高高电压，，结构复构复杂•噪声大噪声大 应应用用——APD 载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程所需的时间越长。
因而，雪崩倍增过程要受到“增益-带宽积”的限制在高雪崩增益情况下,这种限制可能成为影响雪崩光电二极管响应速度的主要因素之一但在适中的增益下，与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往不起主要作用，因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应速度现代雪崩光电二极管增益-带宽积很高 与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小型、不需要高压电源等优点，因而更适于实际应用；与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点，特别当系统带宽比较大时，能使系统的探测性能获得大的改善 因此，雪崩光电二极管主要应用与激光测距仪、共焦显微镜检查、视频扫描成像仪、高速分析仪器、自由空间通信、紫外线传感、分布式温度传感器等领域。