雪崩光电二极管的特性

由天下分享时间：2024/11/27 2:19:27 加入收藏我要投稿点赞

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增益的一种光生伏特器件，它利用光生载流子在强电场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?I/I0

式中I为倍增输出电流，I0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：

??Ae 假定?n??p??，可以推出 M?b?()mE

式中，A，b，m都为与材料有关的系数。

11??XD0?dx

式中, XD为耗尽层的宽度。上式表明，当

?XD0?dx?1

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UBR.

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

M?1

1?(UUBR)n??式中，指数n与PN结得结构有关。对NP结，n?2;对PN结，n?4。由上式可见，当U?UBR时，M??，PN结将发生击穿。

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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。

I?2qIM?f 当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均根值可以近似由公式：

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

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.PIN—APD电路模型

为分析便,采用图1所示的一维结构,并假定光由

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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①区耗尽层扩展相对于i区的宽度可忽略；②i区电场均匀，n，p区电场为零。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i区的电场就不均匀,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——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程 n区：

dPnPIp （1） ?PG?n?dt?pqP区：

dNpdt?NG?Np?n?In （2） qi区：

dNiNNI?NGi??n?nNi??p?pPi?i?i?n （3） dt?nr?ntqdPiPiPiIp （4） ?PGi??n?nNi??p?pPi???dt?pr?ptq其中：为Pn（Np）为n（p）区过剩空穴（电子）总数，Ni（Pi）为i区过剩（电子）空穴总数，q为电子电荷，?p(?n)为n（p）区空穴（电子）寿命，?nr(?pr)为i区电子（空穴）复合寿命，?nt(?pt)为i区电子（空穴）漂移时间,PG(NG)为入射光在n（p）区的电子-空穴对产生率（单位时间产生的电子-空穴对总数）,NGi(?PGi)为入射光在i区的电子-空穴对产生率,Ip(In)为n（p）区少子空穴（电子）扩散电流 ,?n(?p)为i区电子（空穴）漂移速度,?n(?p)为i区电子（空穴）碰撞离化率,即一个电子（空穴）在单位长度碰撞离化产生的电子-空穴对数。

关于程（3），（4）中的雪崩增益项，对于雪崩区电场不均匀的情况（?n,?p与空间位置有关），不能写成这样简单的形式。

对i区采用电中性条件，Pi?Ni，程（4）可省略，程（3）可写为

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dNiNNI?NGi?(?n?n??p?p)Ni?i?i?n （5） dt?nr?ntq下面给出几个重要关系式：

Pin(1?R)[1?exp(??n?Wn)] h?P(1?R)?exp[?(?nWn??iWi)] NG?in[1?exp(??p?WP)]

h?P[(1?R)?exp(??n?Wn)] NGi?in[1?exp(??i?Wi)]

h? PG??nt?Wi/?n,?pt?Wi/?p

其中，Pin为入射光功率，R为n区端面反射率，h?为光子能量，?n、?i、?p分别为n、i、p区的光功率吸收系数，Wn、Wi、Wp分别为n、i、p区的宽度。

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

?（?nF）?nF??sn(F/Fth)41?(F/Fth)4，?p(F)??pF

1??pF/?sp其中F为i区电场，F?VJ?VBI/Wi,VJ为外加偏压，VBI为二极管建势，Fth为阈值电场，?n(?p)为i区电子（空穴）迁移率，?sn(?sp)为i区电子（空穴）饱和漂移速度。电子、空穴离化率可采用如下经验公式

?n(F)?anexp[?(bn/F)c],?p(F)?apexp[?(bn/F)]