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工作时加较大的反向偏压

2019-05-13 21:01

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  本文主要是关于雪崩光电二极管的相关介绍,依据雪崩光电二极管的特性,浅析了暗电流的相关探讨。

  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。其优化结构如图所示,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)。

  器件结构及入射波长等有关,为常数,其值为1~3。②增益带宽积,增益较大且频率很高时,

  式中ω为角频率;N为常数,它随离化系数比缓慢变化;W为耗尽区厚度;Vs为饱和速度;αn及αp分别为电子及空穴的离化系数,增益带宽积是个常数。要想得到高乘积,应选择大Vs,小W及小αn/αp(即电子、空穴离化系数差别要大,并使具有较高离化系数的载流子注入到雪崩区)。③过剩噪声因子F,在倍增过程中,噪声电流比信号电流增长快,用F表示雪崩过程引起的噪声附加F≈Mx。式中x称过剩噪声指数。要选择合适的M值,才能获得最佳信噪比,使系统达到最高灵敏度。④温度特性,载流子离化系数随温度升高而下降,导致倍增因子减小、击穿电压升高。用击穿电压的温度系数卢描述APD的温度特性。

  图3给出暗电流特性,实线为模拟结果,“*”为其他文献报道的实验结果,图中可见二者符合较好。对于小的

  偏压,暗电流以扩散电流和寄生漏电流为主,对大的偏压,暗电流表现为隧穿电流)该器件的击穿电压为80.5 V。

  图4给出脉冲响应特性。输入信号宽度为10ps峰值功率1mW的Gauss形脉冲,偏压为50V,取样电阻为5 0 SZ,光由P区人射。由图可见,模拟结果与实验结果比较符合。这个器件本身的电容比较小,寄生电容对波形的影响比较大。图中给出1sCpF和1.5pF两条模拟曲线,对应的半峰全宽(FWHM)分别为150 ps和175 ps,其他文献给出的结果为140ps.由以上比较结果可见,这里给出的PIN-APD电路模型能比较好的预测器件的性能.此外,这里还给出了对这个器件的其它模拟结果。见图5--7.图5给出对应不同光功率的光电流曲线。在很大的偏压范围内,曲线都比较平坦,只有在接近击穿电压时,光电流才随偏压的提高而增大,这主要是隧穿电流造成的。图6给出1W输入光功率情况下的量子效率随偏压的变化关系。这里量子效率定义为光生电子一空穴对数与人射光子数之比。当偏压小于55 V时,量子效率基本保持为40%,随偏压升高,量子效率迅速增大,对应80 V的量子效率为9.457%,图7给出不同偏压下的脉冲响应,条件

  同图4。由图可见,随偏压的增大,响应幅度增大,FWHM增大,这是由于雪崩效应造成的。当偏压接近击穿电压时,该器件已不能响应这样短的脉冲。

  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)。

  光电二极管模式—光电流在图2所示环路中流动,从而正向偏置二极管。根据二极管对数正向V-I特性,卸载输出电压与光电流差不多成对数关系(极低电流下由RD改动)。因此,输出电压随辐照度而呈现高非线性变化。这种特点有益于一些应用,因为在整个宽范围内光线“亮度”的明显变化(眼睛就是完美的对数)产生类似的电压变化。由于二极管V-I特性的温度依赖性,电压与辐照度的绝对关系关不理想。

  二极管电容限制了光伏模式的频率响应。辐照度的迅速变化必会对CD充电和放电。这不是快速响应所使用的模式。

  利用一个简单的非逆运算放大器电路,我们可以缓冲或者放大输出。使用低输入偏置电流的CMOS或者JFET运算放大器,这样您就可以不在低辐照度水平下给光电二极管施加负载。

  为了在光伏模式下发电,我们需要加载输出,然后大幅降压。最高功率输出的负载情况取决于辐照度。

  光电导模式—二极管电压保持恒定不变(常常为0V,如图3所示)。跨阻抗放大器(TIA)常用于将光电流转换为电压。可以在光电二极管上使用反向偏置来降低其电容,但这会构成“暗电流”漏电流。由于在二极管上没有形成正向电压,因此响应随辐照度的变化非常线性。另外,二极管电容的电压不随辐照度的变化而变化,因此频率响应得到极大改善。低电容仍然很重要,因为它在反馈通路中形成一个极。它一般会要求使用一个反馈电容器CF,以获得稳定性。

  只需通过一个低值(约50欧姆)电阻器增加光电二极管负载,您可以得到光电导模式的诸多好处。如果二极管电压不超出20mV,则您无需极大地对二极管正向偏置,并且响应也相当地线性和迅速。但是,敏感度非常低。

  雪崩光电二极管为一些特殊二极管,其作用是工作在高反向偏置电压下(接近二极管击穿电压)。这样可放大低辐照度下的输出电流。

  选择一个光电二极管有许多复杂的权衡过程,包括光电二极管大小尺寸、电容、噪声、暗电流泄露和封装类型。总之,最好使用一个小型光电二极管,并通过反射镜或者透镜集中有限光源。TI不单独生产光电二极管,但是就许多基础应用而言OPT101提供一整套解决方案,把光电二极管和TIA集成到同一块IC上。

  关于雪崩光电二极管的相关介绍就到这了,希望本文能让你对雪崩光电二极管有更深的了解。

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