本文主要是關(guān)于雪崩光電二極管的相關(guān)介紹，并著重闡述了雪崩光電二極管的噪聲特性研究。
雪崩光電二極管APD
光研科學(xué)強(qiáng)力引進(jìn)新品——雪崩光電二極管APD?，F(xiàn)有IAE、SAE和SAR系列。這幾個(gè)系列的產(chǎn)品有著極高的響應(yīng)度和極短的上升和下降時(shí)間。如此高性能的APD可以很好地應(yīng)用在熒光探測(cè)、激光雷達(dá)系統(tǒng)、光纖數(shù)據(jù)傳輸和條形碼掃描器等方面。其出色的低噪音性能使其可以很好地應(yīng)用在低光強(qiáng)度下對(duì)中或較高頻率光的探測(cè)。
IAE系列 銦砷化鎵雪崩光電二極管
描述
IAE系列雪崩光電二極管是銦砷化鎵雪崩光電二極管最大商業(yè)化的應(yīng)用，在1000到1650nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它有著極高的響應(yīng)度和極短的上升和下降時(shí)間。在1550nm處的峰值響應(yīng)度可以理想地應(yīng)用到對(duì)人眼安全的測(cè)距，自由空間的光學(xué)通訊，光時(shí)域反射儀和高分辨率的光學(xué)相干X線斷層攝影術(shù)上。芯片被封裝在一個(gè)改良的TO46包裝內(nèi)或安置在一個(gè)陶瓷的底座上。
特性
● 80或200μm有效范圍
● 大于500MHz的特有帶寬
● 從1000到1650nm
● 低暗電流和噪聲
● 改良的TO46包裝或陶瓷底座
應(yīng)用
● 測(cè)距
● 光學(xué)通信系統(tǒng)
硅雪崩光電二極管(近紅外增強(qiáng)型)
描述
SAE230NS系列和SAE50NS系列外延雪崩光電二極管是雪崩光電二極管中用途相當(dāng)普遍的，在550到1050nm的范圍內(nèi)，它們有著極高的響應(yīng)度和極短的上升和下降時(shí)間。用于測(cè)距時(shí)，在900nm的波長(zhǎng)下可以得到最佳的響應(yīng)度。芯片被封裝在一個(gè)改良過(guò)的TO46包裝內(nèi)，并帶有集成的905nm濾波器可供選擇。
特性
● 極高的量子效率
● 低噪音，高速
● 倍增增益，用于M>100時(shí)
● 230μm和500μm直徑有效范圍
● 漸進(jìn)的倍增曲線圖表
●極寬的工作溫度范圍
應(yīng)用
● 測(cè)距
● 光學(xué)通信系統(tǒng)
硅雪崩光電二極管（紅光增強(qiáng)型）
雪崩光電二極管噪聲特性研究
1PD熱噪聲
光電二極管PD必須外接負(fù)載電阻或運(yùn)放等設(shè)備才能檢測(cè)出光電流，這些設(shè)備中，電子也在運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)只要溫度不是絕對(duì)零度，就會(huì)在熱作用下發(fā)生不規(guī)則變化。這樣，作為電子整體運(yùn)動(dòng)的平均，觀察到的電流是不規(guī)則變動(dòng)的，這種不規(guī)則變動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為熱噪聲。如果忽略APD內(nèi)部電阻的影響，只考慮外圍電路的負(fù)載RL（等效負(fù)載），則熱噪聲電流+ij-APD可以計(jì)算如下：
式中：K為波爾茨曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；B為噪聲帶寬
2PD散粒噪聲
由于載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致電流的波動(dòng)形成了散粒噪+聲。散粒噪聲和熱噪聲的起因都是源于電子和空穴的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，無(wú)論何種光電二極管都會(huì)發(fā)生，并且，并不限于光電二極管，與光毫無(wú)關(guān)系的所有半導(dǎo)體設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生，它們是難以消除和減小的噪聲。對(duì)于+PIN型PD，散粒噪聲包含起因于光生電流的散粒噪聲和起因于暗電流的散離噪聲兩部分。
式中：iRD為由并聯(lián)電阻；RD近似為熱噪聲電流；iSD為由+暗電流引起的散粒噪聲電流；iSP表示由光電流引起的散粒噪聲電流。對(duì)于APD來(lái)講，因?yàn)樵O(shè)置了倍增機(jī)構(gòu)，所以總的散粒噪聲電流由倍增的散粒電流和沒(méi)有倍增的散粒電流兩部分組成。
3APD的過(guò)剩噪聲
電子、空穴和原子一旦發(fā)生沖突就會(huì)產(chǎn)生新的電子和空穴，致使電流不規(guī)則變化從而形成噪聲，這種噪聲稱(chēng)為過(guò)剩噪聲。過(guò)剩噪聲與材料有關(guān)，Si材料的過(guò)剩噪聲遠(yuǎn)小于Ge材料的過(guò)剩噪聲，因此APD的噪聲要大于PIN型PD的噪聲%5B2%5D。如果將APD的過(guò)剩噪聲也歸入到散粒噪聲之中，則APD+的散粒噪聲In計(jì)算如下：
式中：q我電子的電荷量；IP為M%3D1時(shí)的光生電流；Idg+為基板內(nèi)部發(fā)生的電流；B為帶寬；M為倍增率；F為過(guò)剩噪聲系數(shù)；Ids為表面的漏電流。
電子的離子化率（α）和空穴的離子化率（β）之比稱(chēng)為離子化率比%5Bk%3Dα%2Fβ%5D過(guò)剩噪聲系數(shù)F可以用k和M表示。
公式（4）表示電子注入雪崩層的過(guò)剩噪聲系數(shù)，若是空+穴注入雪崩層的過(guò)剩噪聲系數(shù)，需要置換為1%2Fk的形式。
APD的噪聲是伴隨著倍增產(chǎn)生的，若倍增率增加則過(guò)剩噪聲增加，總的噪聲也隨之增大%5B3%5D。信號(hào)也隨著倍增率的增加而增大，這樣就存在一個(gè)使信噪比+S%2FN最大的倍增率。APD的S%2FN計(jì)算如下：
式中：K、T和RL分別表示波爾茨曼常數(shù)、絕對(duì)溫度和負(fù)+載電阻。求最大值并忽略Ids，求出的最大倍增率+Opt+M計(jì)算如下。
結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于PIN+PD，若希望降低熱噪聲就需要加大負(fù)載電阻，這樣就會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。為此，熱噪聲難以變小，導(dǎo)致了在許多情況下，最低接收電平受到熱噪聲制約。而對(duì)于APD，在散粒噪聲達(dá)到同等程度的熱噪聲之前，能夠在不增加總的噪聲的條件下，成倍地增大信號(hào)。這樣就能夠在確保響應(yīng)速度的前提下，改善信噪比。
淺談二極管雪崩效應(yīng)
在強(qiáng)電場(chǎng)下，半導(dǎo)體中的載流子會(huì)被電場(chǎng)加熱（見(jiàn)半導(dǎo)體中的熱載流子），部分載流子可以獲得足夠高的能量，這些載流子有可能通過(guò)碰撞把能量傳遞給價(jià)帶上的電子，使之發(fā)生電離，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這種過(guò)程稱(chēng)為碰撞電離。所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)中向相反方向運(yùn)動(dòng)，又被電場(chǎng)加熱并產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。依此方式可以使載流子大量增殖，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雪崩倍增效應(yīng)。
上圖圖給出了室溫下由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的幾種半導(dǎo)體中電子電離率和空穴電離率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。電離率通?？捎孟铝薪?jīng)驗(yàn)公式表示
α=A，
式中為電場(chǎng)強(qiáng)度和為常數(shù)。
半導(dǎo)體中的雪崩效應(yīng)是引起pn結(jié)擊穿的一種機(jī)制。加反向偏壓的PN結(jié)，其空間電荷區(qū)內(nèi)有很強(qiáng)的電場(chǎng)。在反向偏壓足夠高，空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，熱生載流子在通過(guò)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)。于是反向電流會(huì)隨反向電壓迅速增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雪崩擊穿。對(duì)于硅、鍺的PN結(jié)，當(dāng)擊穿電壓大于6/時(shí)（是禁帶寬度，是電子電荷），擊穿由雪崩效應(yīng)引起，而當(dāng)擊穿電壓小于4/時(shí)，擊穿由另一種效應(yīng)，即隧道效應(yīng)所引起。
在雪崩機(jī)制中，電流的倍增不僅決定于電離率的大?。ɑ蚺c之相聯(lián)系的電場(chǎng)強(qiáng)度），而且決定于能有效產(chǎn)生碰撞電離的空間電荷區(qū)的寬度。雪崩擊穿電壓通常隨溫度的上升而增加。
當(dāng)PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，通常伴隨著發(fā)光現(xiàn)象，所發(fā)射光子的能量可以顯著地超過(guò)禁帶能量。
如果在金屬－絕緣體－半導(dǎo)體系統(tǒng)的柵上施加高的脈沖電壓（例如對(duì)由P型半導(dǎo)體所構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)施加正柵壓）也會(huì)在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。這時(shí)半導(dǎo)體表面層呈深耗盡狀態(tài)。在表面電場(chǎng)足夠高時(shí)，在耗盡層中流動(dòng)的熱生載流子會(huì)產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)。
對(duì)于包含PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，一般說(shuō)來(lái)，雪崩倍增效應(yīng)是個(gè)限制性因素。但也可以利用此效應(yīng)來(lái)制作某些器件，如碰撞雪崩渡越二極管及雪崩注入MOS非易失性存儲(chǔ)元件。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于雪崩光電二極管的噪聲研究就介紹到這了，如有不足之處歡迎指正。