雪崩光電二極管（APD）是一種高靈敏度、高速度的光電二極管，在日常生活中應(yīng)用廣泛。
本文是關(guān)于雪崩光電二極管的相關(guān)介紹，并就其特點(diǎn)，探討了雪崩光電二極管的靈敏度問(wèn)題。

雪崩光電二極管

APD應(yīng)用于對(duì)光信號(hào)需要高靈敏度的各種應(yīng)用場(chǎng)合，例如光纖通訊、閃爍（scintillaTIon）探測(cè)等。 　　

對(duì)APD的測(cè)量一般包括擊穿電壓、響應(yīng)度和反向偏置電流等。

優(yōu)點(diǎn)

與真空光電倍增管相比，雪崩光電二極管具有小型、不需要高壓電源等優(yōu)點(diǎn)，因而更適于實(shí)際應(yīng)用；與一般的半導(dǎo)體光電二極管相比，雪崩光電二極管具有靈敏度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別當(dāng)系統(tǒng)帶寬比較大時(shí)，能使系統(tǒng)的探測(cè)性能獲得大的改善。

當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體二極管加上足夠高的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子就可能因碰撞電離效應(yīng)而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導(dǎo)體二極管的反向擊穿機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。當(dāng)載流子的雪崩增益非常高時(shí)，二極管進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)；在此以前，只要耗盡層中的電場(chǎng)足以引起碰撞電離，則通過(guò)耗盡層的載流子就會(huì)具有某個(gè)平均的雪崩倍增值。

碰撞電離效應(yīng)也可以引起光生載流子的雪崩倍增，從而使半導(dǎo)體光電二極管具有內(nèi)部的光電流增益。1953年，K.G.麥克凱和K.B.麥卡菲報(bào)道鍺和硅的PN結(jié)在接近擊穿時(shí)的光電流倍增現(xiàn)象。1955年，S.L.密勒指出在突變PN結(jié)中，載流子的倍增因子M隨反向偏壓V的變化可以近似用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示

M=1/[1-(V/VB)n]

式中VB是體擊穿電壓,n是一個(gè)與材料性質(zhì)及注入載流子的類型有關(guān)的指數(shù)。當(dāng)外加偏壓非常接近于體擊穿電壓時(shí)，二極管獲得很高的光電流增益。PN結(jié)在任何小的局部區(qū)域的提前擊穿都會(huì)使二極管的使用受到限制，因而只有當(dāng)一個(gè)實(shí)際的器件在整個(gè)PN結(jié)面上是高度均勻時(shí)，才能獲得高的有用的平均光電流增益。因此，從工作狀態(tài)來(lái)說(shuō)，雪崩光電二極管實(shí)際上是工作于接近（但沒有達(dá)到）雪崩擊穿狀態(tài)的、高度均勻的半導(dǎo)體光電二極管。

影響響應(yīng)速度的因素

載流子在耗盡層中獲得的雪崩增益越大，雪崩倍增過(guò)程所需的時(shí)間越長(zhǎng)。因而，雪崩倍增過(guò)程要受到“增益-帶寬積”的限制。在高雪崩增益情況下，這種限制可能成為影響雪崩光電二極管響應(yīng)速度的主要因素之一。但在適中的增益下，與其他影響光電二極管響應(yīng)速度的因素相比，這種限制往往不起主要作用，因而雪崩光電二極管仍然能獲得很高的響應(yīng)速度。現(xiàn)代雪崩光電二極管增益-帶寬積已達(dá)幾百吉赫。

與一般的半導(dǎo)體光電二極管一樣，雪崩光電二極管的光譜靈敏范圍主要取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。制備雪崩光電二極管的材料有硅、鍺、砷化鎵和磷化銦等Ⅲ-Ⅴ族化合物及其三元、四元固熔體。根據(jù)形成耗盡層方法的不同，雪崩光電二極管有PN結(jié)型（同質(zhì)的或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的PN結(jié)。其中又有一般的PN結(jié)、PIN結(jié)及諸如 N+PπP+結(jié)等特殊的結(jié)構(gòu)）、金屬半導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘型和金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)等。

如何提高雪崩光電二極管靈敏度

光敏二極管和光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕�因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏二極管截止。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，光敏二極管導(dǎo)通。

光敏二極管使用時(shí)要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，負(fù)極接電源正極。常見的有2CU、2DU等系列。 光敏二極管是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到PN結(jié)上時(shí)，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ�具有兩種工作狀態(tài)：

當(dāng)光敏二極管加上反向電壓時(shí)，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。

光敏二極管上不加電壓，利用P-N結(jié)在受光照時(shí)產(chǎn)生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。這種工作狀態(tài)，一般作光電檢測(cè)器。光敏二極管分有P-N結(jié)型、PIN結(jié)型、雪崩型和肖特基結(jié)型，其中用得最多的是PN結(jié)型，價(jià)格便宜。

光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。 通常基極不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。當(dāng)具有光敏特性的PN 結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于β倍的電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。它由光控三極管和35集成電路兩部分組成。

集成電路IC及三極管T3、電阻R4、R5等構(gòu)成放大電路。平常在光源照射下，T1呈低阻狀態(tài)，T2飽和導(dǎo)通，IC觸發(fā)端3腳得不到正觸發(fā)脈沖而不工作，揚(yáng)聲器無(wú)聲。當(dāng)T1被物體遮擋時(shí)，便產(chǎn)生一負(fù)脈沖電壓，并通過(guò)C1耦合到T2的基極，導(dǎo)致T2進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，IC獲得一正觸發(fā)脈沖而工作，輸出音頻通過(guò)T3放大，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲響

雪崩光電二極管的應(yīng)用

雪崩光電二極管（APD）是一種高靈敏度、高速度的光電二極管。施加反向電壓時(shí)，能啟動(dòng)其內(nèi)部的增益機(jī)構(gòu)。APD的增益可以由反向偏置電壓的幅度來(lái)控制。反向偏置電壓越大增益就越高。APD在電場(chǎng)強(qiáng)度的作用下工作，光電流的雪崩倍增類似于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。APD應(yīng)用于對(duì)光信號(hào)需要高靈敏度的各種應(yīng)用場(chǎng)合，例如光纖通訊、閃爍（scinTIllaTIon）探測(cè)等。 　　對(duì)APD的測(cè)量一般包括擊穿電壓、響應(yīng)度和反向偏置電流等。典型APD的最大額定電流為10-4到10-2A，而其暗電流則可低達(dá)10-12到10-13A的范圍。最大反向偏置電壓隨APD的材料而變化，銦砷化鎵（InGaAs）材料的器件可達(dá)100V，硅材料的器件則可高達(dá)500V。 　　測(cè)試介紹 　　測(cè)量APD的反向偏置電流需要一種能夠在很寬范圍內(nèi)測(cè)量電流并且能輸出掃描電壓的儀器。由于這種要求，吉時(shí)利6487型皮安計(jì)電壓源或者6430型亞飛安（Sub-Femtoamp）源-表等儀器對(duì)于這類測(cè)量工作是非常理想的。 　　圖4-19 所示為6430型亞飛安源-表連接到一個(gè)光電二極管上。該光電二極管安放在一個(gè)電屏蔽的暗箱中。為了對(duì)敏感的電流測(cè)量進(jìn)行屏蔽，使其不受靜電干擾的影響，將此暗箱與6430型亞飛安源表的低端相連。

圖4-20示出使用6430型數(shù)字源表測(cè)量得到的銦砷化鎵（InGaAs）材料APD的電流與反向掃描電壓的關(guān)系曲線，注意其電流測(cè)量的范圍很寬。隨著光的增強(qiáng)，雪崩區(qū)域變得更加明顯。擊穿電壓將引起電流自由流動(dòng)，因?yàn)檫@時(shí)會(huì)形成電子空穴對(duì)，而不再需要光照射二極管來(lái)產(chǎn)生電流。

結(jié)語(yǔ)

關(guān)于雪崩光電二極管的靈敏度的介紹就到這了，希望通過(guò)本文能讓你對(duì)雪崩光電二極管靈敏度有更深的認(rèn)識(shí)。