APD

目錄
·材料
·超額噪聲




雪崩光電二極管(APD)是一種半導(dǎo)體光檢測(cè)器，其原理類似于光電倍增管。在加上一個(gè)較高的反向偏置電壓后（在硅材料中一般為100-200 V），利用電離碰撞（雪崩擊穿）效應(yīng)，可在APD中獲得一個(gè)大約100的內(nèi)部電流增益。某些硅APD采用了不同于傳統(tǒng)APD的摻雜等技術(shù)，允許加上更高的電壓(>1500 V)而不致?lián)舸�，從而可獲得更大的增益(>1000)。一般來說，反向電壓越高，增益就越大。APD倍增因子M的計(jì)算公式很多，一個(gè)常用的公式為

其中L是電子的空間電荷區(qū)的長(zhǎng)度，而是電子和空穴的倍增系數(shù)，該系數(shù)取決于場(chǎng)強(qiáng)、溫度、摻雜濃度等因素。由于APD的增益與反向偏置和溫度的關(guān)系很大，因此有必要對(duì)反向偏置電壓進(jìn)行控制，以保持增益的穩(wěn)定。雪崩光電二極管的靈敏度高于其它半導(dǎo)體光電二極管。
為獲得更高的增益（105–106），某些APD可以工作在反向電壓超出擊穿電壓的區(qū)域。此時(shí)，必須對(duì)APD的信號(hào)電流加以限制并迅速將其清為零，為此可采用各種主動(dòng)或被動(dòng)的電流清零技術(shù)。這種高增益的工作方式稱為Geiger方式，它特別適用于對(duì)單個(gè)光子的檢測(cè)，只要暗計(jì)數(shù)率足夠低。
APD主要用于激光測(cè)距機(jī)和長(zhǎng)距離光纖通信，此外也開始被用于正電子斷層攝影和粒子物理等領(lǐng)域 [1]。APD陣列也已被商業(yè)化。
APD的用途取決于許多性能指標(biāo)。主要的幾個(gè)性能指標(biāo)為量子效率（表示APD吸收入射光子并產(chǎn)生原始載流子的效率）和總漏電流（為暗電流、光電流與噪聲之和）。暗電噪聲包括串聯(lián)和并聯(lián)噪聲，其中串聯(lián)噪聲為散彈噪聲，它大致正比于APD的電容，而并聯(lián)噪聲則與APD的體暗電流和表面暗電流的波動(dòng)有關(guān)。此外，還存在用噪聲系數(shù)F表示的超額噪聲，它是隨機(jī)的APD倍增過程中所固有的統(tǒng)計(jì)噪聲。




材料

理論上，在倍增區(qū)中可采用任何半導(dǎo)體材料：

硅材料適用于對(duì)可見光和近紅外線的檢測(cè)，且具有較低的倍增噪聲（超額噪聲）。
鍺(Ge)材料可檢測(cè)波長(zhǎng)不超過1.7μm的紅外線，但倍增噪聲較大。
InGaAs材料可檢測(cè)波長(zhǎng)超過1.6μm的紅外線，且倍增噪聲低于鍺材料。它一般用作異構(gòu)(heterostructure)二極管的倍增區(qū)。該材料適用于高速光纖通信，商用產(chǎn)品的速度已達(dá)到10Gbit/s或更高。
氮化鎵二極管可用于紫外線的檢測(cè)。
HgCdTe二極管可檢測(cè)紅外線，波長(zhǎng)最高可達(dá)14μm，但需要冷卻以降低暗電流。使用該二極管可獲得非常低的超額噪聲。



超額噪聲

如前所述，超額噪聲是由倍增過程產(chǎn)生的噪聲，它與倍增過程的增益M有關(guān)，記作F(M)，一般可用下式計(jì)算：

其中為空穴與電子的碰撞電離率之比，在電子倍增器件中定義為空穴碰撞電離率除以電子碰撞電離率的比值。一般希望兩個(gè)碰撞電離率的差別盡可能大，以減小F(M)，因?yàn)镕(M)是決定最高能量分辨率等性能指標(biāo)的主要因素之一。

• 通信詞典解釋