《(整理)雪崩光电二极管的特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(整理)雪崩光电二极管的特性（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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：M 二 I /10式中 I 为倍增输出电流， I 为倍增前的输出电流。0雪
2、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Q 和空穴电离率Q是np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Q与电场强度E J近似 有以下关系：式中， A， b ， m 都为与材料有关的系数。假定a二a二a，可以推出npM =1 -I xDa dx0式中, XD 为耗尽层的宽度。上式表明，当I XDa dx 10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 Ts时，PN结上所加的反向偏
3、压就是雪崩击穿电压U .BR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1 - (U U )nBR式中，指数n与PN结得结构有关。对N+P结，n a 2；对P+N结，n 4。由上式可见,当U T U时，M ts，PN结将发生击穿。BR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
4、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
5、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：12 二 2qIM 2Af计算。其中n与雪崩光电二极管的材料有
6、关。对于锗管，n=3,对于硅管，2.3vnv2.5.显然， 由于信号电流按M倍增大，而噪声按M n2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P
7、IN - 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.二等效电路模型1.PINAPD 电路模型为分析方便,采用图 1 所示 的一维结构,并假定光由n区入射，对于p区入射情况，只需对下面相应的公式做少量修改。现作两点假设区耗 尽层扩展相对于i区的宽度可忽略；i区电场均匀，n，p区内电场为零。对于实际的PIN 器件i区大都不是本征的，因为即使不故意掺杂，也含有一定杂质，这样
8、i区内的电场就不 均匀，因此，以上两点假设对实际器件是否合理是值得斟酌的。不过只要i区的杂质浓度与其 它两区相比很小，这两点假设是合理的。以n-i界面作为研究对象，流过该界面的电流包括两部分，一部分为n区少子一一空穴 的扩散电流，另一部分为i区电子的漂移电流（i区中的电子来源包括：光生电子,空穴碰 撞电离产生的电子,电子碰撞电离产生的电子,p区少子电子扩散进入的电子）。对于反偏PIN结构，可采用如下载流子速率方程n 区:P 区:i 区:dPP Idt G T qpdNN IP = N P n dtG T丝二 N +udt GiNNIN +U Q P 一 一 4 + n i p p i T T
9、q nr nt巴=P +O dtGi n nP P IN +u 匚 P + p i p p i T T q pr pt1)2)3)4)其中：为P （ N ）为n（P）区过剩空穴（电子）总数，N（ P ）为i区过剩（电子） npi i空穴总数，q为电子电荷，T （T ）为n（p）区空穴（电子）寿命，T （T ）为i区电子（空p nnr pr穴）复合寿命，T （T ）为i区电子（空穴）漂移时间，P （N ）为入射光在n （p）区的电nt ptG G子-空穴对产生率（单位时间产生的电子空穴对总数），N （二P ）为入射光在i区的电子Gi Gi-空穴对产生率，I （I ）为n （p）区少子空穴（电子）
10、扩散电流，U 2 ）为i区电子（空 p nn p穴）漂移速度,匚（匚）为i区电子（空穴）碰撞离化率，即一个电子（空穴）在单位长度内 np碰撞离化产生的电子-空穴对数 。关于方程（3），（4）中的雪崩增益项，对于雪崩区电场不均匀的情况（ Q ,Q 与空间 np位置有关），不能写成这样简单的形式。对i区采用电中性条件，P二N，方程（4）可省略，方程（3）可写为iidNN N I.二 N + (u Q +u Q )N -a - i + n dt Gi n n p p i t t q nrnt5)下面给出几个重要关系式：P = P” (1_ R) 1-exp(-a W )Ghun nN = inn n
11、i i 1-exp(-a W )Ghup PN _ P (1-R) exp(a W )(N inn n 1 exp(a VW)Gihui ihut 二 W / u ,t 二 W / unt i n pt i p其中，P为入射光功率，R为n区端面反射率，hu为光子能量，a、a、inn ia分别为pn、i、p区的光功率吸收系数，W、W、W分别为n、i、p区的宽度。 nip对于不同材料，电子、空穴的漂移速度的场依赖关系不同，对于GaAs,InGaAs,InP,InGaAsP 等族材料，可采用以下的形式d PF +u (F/F )4 u (冲、卩 Fu (F)= nsnth ， u (F)=1 + (
12、F/F )4p1 +y F/uthpsp其中F为i区电场，F = Vj +匕/叫，Vj为外加偏压，S为二极管内建势，Fth为阈值电场，卩(卩)为i区电子(空穴)迁移率，u (u )为i区电子(空穴)饱和漂移速度。 n psn sp电子、空穴离化率可采用如下经验公式Q (F) = a exp-(b /F)cn,Q (F) = a exp-(b /F)cpnnnppn其中， a、 b、 c、 a 、 b 、 c 为经验常数，可通过与实验数据曲线拟合得到。这里 n n n p p p给出几种材料的数据，见表 1，这些数据主要取自文献1,19-22。表中数据对应温度300K，晶向100。表中InGaA
13、s为叭.47 Ga 0.53 As，InAlAS为表I几种典型皿-族材料碰損禽化率数据Tabf 1 Impact Ionization rates of several ID - V materialsmaterialGaAsInPInGaAsInAlAsInGaAsPdoping/1014 cm-J0. 123I?electric field/105 Vcm-12. 2氐 252-43. 83. 6 e5. 37. 72. 02. 53. 34+ 32. 953. 85Vcm2. 9911229. 32.髭5130. 73(52 460bj( Vcm_J6* 851跖4ft 4右19.55-
14、6232Gi. e12121av/ cm-12. 2247, 91$. 2. 437300. 157?15Vi5 Vcm-1h 5725. 52b 17. U9昭”04.B9沁71. 51I2r1.21In Al As , InGaAsP 为 In Ga As P 。0.480.520.890.110.74 0.26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nonono6)7)8)1)-(4)式可化为PdV Vq = C p + p +1R no dt R poppP = C dV +V +1R no dt R nonnP dV V Vin Ct + 1 + 1 I IR no dt R R a n oinint其中，Rop q(1 R)1 exp( a W )nnhv expo( W +a W )R nni ion q(1R ) 1 exap (W) pphv exp(a W )R nnoi
