雪崩光电二极管

雪崩光电二极管指的是在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”。

一、什么是雪崩光电二极管

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二、雪崩光电二极管符号

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三、雪崩光电二极管工作原理

雪崩光电二极管是一种 p-n 结型的光检测二极管,其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的 Read 二极管结构(即 N+PIP+型结构,P+一面接收光),工作时加较大的反向偏压,使得其达到雪崩倍增状态;它的光吸收区与倍增区基本一致(是存在有高电场的 P 区和 I 区)。

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(1.3μn,1.55μm)波段光纤通信比较理想的光检测器。光的吸收层用 InGaAs 材料,它对 1.3μm 和 1.55μn 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。

在 APD 制造上,需要在器件表面加设保护环,以提高反向耐压性能;半导体材料以 Si 为优(广泛用于检测 0.9um 以下的光),但在检测 1um 以上的长波长光时则常用 Ge 和 InGaAs(噪音和暗电流较大)。这种 APD 的缺点就是存在有隧道电流倍增的过程,这将产生较大的散粒噪音(降低 p 区掺杂,可减小隧道电流,但雪崩电压将要提高)。一种改进的结构是所谓 SAM-APD:倍增区用较宽禁带宽度的材料(使得不吸收光),光吸收区用较窄禁带宽度的材料;这里由于采用了异质结,即可在不影响光吸收区的情况下来降低倍增区的掺杂浓度,使得其隧道电流得以减小(如果是突变异质结,因为ΔEv 的存在,将使光生空穴有所积累而影响到器件的响应速度,这时可在突变异质结的中间插入一层缓变层来减小ΔEv 的影响)。

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来源:轩哥技术分享
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