雪崩光电二极管的特性..docVIP

雪崩光电二极管工作特性及等效电路模型 一．工作特性 雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件，它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下进行高速定向运动，具很高动能的光生电子或空穴与晶格院子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子---空穴对；二次电子---空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又是晶格原子电离产生新的电子----空穴对，此过程像“雪崩”似的继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数定义为： 式中为倍增输出电流，为倍增前的输出电流。 雪崩倍增系数与碰撞电离率有密切关系，碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下 ，漂移单位距离所产生的电子----空穴对数目。实际上电子电离率 和空穴电离率是不完全一样的，他们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率与电场强度J近似有以下关系： 式中，，，都为与材料有关的系数。 假定，可以推出 式中, 为耗尽层的宽度。上式表明，当 时，。因此称上式为发生雪崩击穿的条件。其物理意义是：在电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子----空穴对，就发生雪崩击穿现象。当时，结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压. 实验发现，在反向偏压略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这时的值较小，随反向偏压的变化可用经验公式近似表示为 式中，指数与结得结构有关。对结，;对结，。由上式可见，当时，，结将发生击穿。 适当调节雪崩光电二极管的工作偏压，便可得到较大的倍增系数。目前，雪崩光电二极管的偏压分为低压和高压两种，低压在几十伏左右，高压达几百伏。雪崩光电二极管的倍增系数可达几百倍，甚至数千倍。 雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线如图所示。从图中可看到，当工作偏压增加时，输出亮电流（即光电流和暗电流之和）按指数显示增加。当在偏压较低时，不产生雪崩过程，即无光电流倍增。所以，当光脉冲信号入射后，产生的光电流脉冲信号很小（如A点波形）。当反向偏压升至B点时，光电流便产生雪崩倍增效应，这时光电流脉冲信号输出增大到最大（如B点波形）。当偏压接近雪崩击穿电压时，雪崩电流维持自身流动，使暗电流迅速增加，光激发载流子的雪崩放大倍率却减小。即光电流灵敏度随反向偏压增加而减小，如在C点处光电流的脉冲信号减小。换句话说，当反向偏压超过B点后，由于暗电流增加的速度更快，使有用的光电流脉冲幅值减小。所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了压低暗电流，会把向左移动一些，虽然灵敏度有所降低，但是暗电流和噪声特性有所改善。 从图中的伏安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有所较小变化时，光电流将有较大变化。另外，在雪崩过程中结上的反向偏压容易产生波动，将影响增益的稳定性。所以，在确定工作点后，对偏压的稳定性要求很高。 噪音 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向变得更加随机，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可以近似由公式： 计算。其中n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3,对于硅管，2.3n2.5.显然，由于信号电流按M倍增大，而噪声按倍增大。因此，随着M的增大，噪声电流比信号电流增大得更快。 光电探测器是光纤通信和光电探测系统中光信号转换的关键器件,是光电集成电路(OEIC) 接收机的重要组成部分. 随着集成电路计算机辅助设计技术的发展,通过建立PIN 雪崩光电二极管(APD) 的数学模型,并利用计算机对其特性进行分析和研究成为OEIC 设计中的重要组成部分. 目前PIN - APD 的等效电路模型,通常在PSPICE 中模拟实现[1 ,2 ,427 ] . 这种方法能较好的进行直流、交流、瞬态分析. 但无法跟踪反映PIN - APD 工作过程中载流子和光子的变化,同时建模过程中一些虚拟器件的存在和计算使模型特性出现误差. 本文通过求解反偏PIN 结构中各区过剩载流子速率方程,建立数学模型,并对模型参数和器件进行了修正,在Matlab 中进行了模拟计算. 模拟结果和实际测量结果吻合较好. 二．等效电路模型 1.PIN—APD电路模型 为分析方便,采用图1所示 的一维结构,并假定光由n区入射,对于p区入射情况,只需对下面相应的公式做少量修改。现作两点假设①区耗尽层扩展相对于i区的宽度可忽略；②i区电场均匀，n，p区内电场为零。