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文檔簡介
1、精品文檔精品文檔雪崩光電二極管工作特性及等效電路模型一.工作特性雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件,它利用光生載流子在強電場內(nèi)的定向運動產(chǎn)生雪崩效應(yīng),以獲得光電流的增益。在雪崩過程中,光生載流子在強電場的作用下 進行高速定向運動,具很高動能的光生電子或空穴與晶格院子碰撞,使晶格原子電離產(chǎn)生二 次電子-空穴對;二次電子-空穴對在電場的作用下獲得足夠的動能,又是晶格原子電離產(chǎn) 生新的電子-空穴對,此過程像“雪崩”似的繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠大于光激發(fā) 產(chǎn)生的光生載流子,這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加,其電流倍增系數(shù)定義為:M =1/1。式中I為倍增輸出電流,I。為倍增前的輸出
2、電流。雪崩倍增系數(shù)M與碰撞電離率有密切關(guān)系,碰撞電離率表示一個載流子在電場作用下,漂移單位距離所產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目。實際上電子電離率:n和空穴電離率:-p是不完全一樣的,他們都與電場強度有密切關(guān)系。由實驗確定,電離率與電場強度EJ近似有以下關(guān)系:_4)m:=AeE式中,A,b,m都為與材料有關(guān)的系數(shù)。假定 ,可以推出1XD1dx$0式中,XD為耗盡層的寬度。上式表明,當XD:dx;10時,M。因此稱上式為發(fā)生雪崩擊穿的條件。其物理意義是:在電場作用下,當通過耗盡區(qū)的每個載流子平均能產(chǎn)生一對電子-空穴對,就發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。當Mr-時,PN結(jié)上所加的反向偏壓就是雪崩擊穿電壓UBR實驗發(fā)現(xiàn),在
3、反向偏壓略低于擊穿電壓時,也會發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象,不過這時的M值較小,M隨反向偏壓U的變化可用經(jīng)驗公式近似表示為11-(U UBR)n式中,指數(shù)n與PN結(jié)得結(jié)構(gòu)有關(guān)。對N P結(jié),n 2;M P N結(jié),n 4。由上式可見,當U UBR時,M: ,PN結(jié)將發(fā)生擊穿。精品文檔適當調(diào)節(jié)雪崩光電二極管的工作偏壓,便可得到較大的倍增系數(shù)。目前,雪崩光電二精品文檔精品文檔等效電路模型1.PINAPD電路模型為分析方便,采用圖1所示的一維結(jié)構(gòu),并假定精品文檔0-O-1* 0*極管的偏壓分為低壓和高壓兩種,低壓在幾十伏左右,高壓達幾百伏。雪崩光電二極管的 倍增系數(shù)可達幾百倍,甚至數(shù)千倍。雪崩光電二極管暗電流和光電
4、流與偏置電壓的關(guān)系曲 線如圖所示。從圖中可看到,當工作偏壓增加時,輸出亮 電流(即光電流和暗電流之和)按指數(shù)顯示增加。當在偏 壓較低時,不產(chǎn)生雪崩過程,即無光電流倍增。所以,當 光脈沖信號入射后,產(chǎn)生的光電流脈沖信號很?。ㄈ鏏點 波形)。當反向偏壓升至B點時,光電流便產(chǎn)生雪崩倍增效 應(yīng),這時光電流脈沖信號輸出增大到最大(如B點波形)。當偏壓接近雪崩擊穿電壓時,雪崩電流維持自身流動,使 暗電流迅速增加,光激發(fā)載流子的雪崩放大倍率卻減小。 即光電流靈敏度隨反向偏壓增加而減小,如在C點處光電流的脈沖信號減小。換句話說,當反向偏壓超過B點后,由于暗電流增加的速度更快,使有用的光電流脈沖幅值減 小。所以
5、最佳工作點在接近雪崩擊穿點附近。有時為了壓 低暗電流,會把向左移動一些,雖然靈敏度有所降低,但 是暗電流和噪聲特性有所改善。從圖中的伏安特性曲線可以看出,在雪崩擊穿點附近電流隨偏壓變化的曲線較陡,當 反向偏壓有所較小變化時,光電流將有較大變化。另外,在雪崩過程中PN結(jié)上的反向偏壓容易產(chǎn)生波動,將影響增益的穩(wěn)定性。所以,在確定工作點后,對偏壓的穩(wěn)定性要求很 高。噪音 由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的,碰撞后的運動方向變得更加隨機, 所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無倍增的情況下,其噪聲電流主要為散粒噪聲。當雪崩倍增M倍后,雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可以近似由公式:I2
6、=2qlM2f計算。其中n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對于鍺管,n=3,對于硅管,2.3n -ntq(5):n(F)精品文檔精品文檔表中數(shù)據(jù)對應(yīng)溫度300K,晶向100。表中InGaAs為In047Ga0.53As,InAlAs為a.i i 幾種典型川旅材料越損 n n 代辜釵據(jù)Tdb. 1 Impact ionization rates of several 1 VmarenalGaA&nPInGaAslnAEAsInGaAsPdoping/10Hcm_J0- 12312electric Field/lO1Vcm_12* 26* 252, 43-8缶65,垃5-3-7. 7;2. 0
7、2 53,3百32+9S3- S5fl./lQ1Vcm-J2+ 9911?29.32-325130. 7362 460氐/】0弓Vcm-16 師和.126* 48+4619.55.6?321.6112121tgp/101cm-12+ 2247, 9162no0. 157SIS/10JVcmJ|l+5725+52h i7-922,04”的30.75L51I乎19IIn0.48Al0.52As,InGaAsP為1n0.89Ga0.11As0.74P0.26。(1)-(4)式可化為其中Ropq(1R)1exp(-nWn)h eXpWn:Wi) q(1-R)-1 exppWp)為提高數(shù)據(jù)處理精度,引入
8、歸一化常數(shù)(可看作是一個電容),并令VpqPn,VnqNqNiCnoCnoCnoPnRp=CnodVpdt冷IRp(6)PnRonC dVnIn(7)PnRoio晉呂dt Rni邑Rnt一1a一 丨n(8)Ro n精品文檔精品文檔R _ h exp(:nWn)i-q(1-R)1 -exp(-:iWi)精品文檔精品文檔APD的端電流為CT晉1dCT=CsCJ,Cs為寄生電容,Cj二;0;s A W,;0為真空介電常數(shù),;s為材料相對介電常數(shù),A為垂直電場方向器件的截面積,Vj為結(jié)電壓。Id為隧穿電流與其他寄生漏電流之和,可寫為01AVj(VjVBWIexp(訶)VjVjVBI)RdIi由于Rp二
9、-p Cno,Rn =n.CnoRit =nt;Cno,Rnr = - n; Cno= Vi:Rn,tla=CnVi(n np p)n,p兩區(qū)的少子分布與Pn,Vn,Vp及時間的依賴關(guān)系很復雜,這里假定其空間分布形式(函數(shù)形式)與時間無關(guān),即穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)具有同一空間分布函數(shù)形式,對時間的依賴由Pn,Vn,Vp來體現(xiàn)。這樣可由穩(wěn)態(tài)結(jié)果得到In,Ip與Pin,Vn,Vn的關(guān)系:In=Vn:RndPnIno,IP二Vp.fRpdpPin T poRnd=Rn【Ch(Wp. Ln),Rpd= Rpch (g . Lp) - 11noqNpoLnchWpLn) 1WpnSh(WpLn)1poqPnoLpc
10、h(g Lp)12q(1R)eXp(:nWnW) _ :pLn221-pLnch(WpLn)1_e嚴二卩叫匕1_ _LnSh(WnLp): pLnch(WpLn)-1卩2q(R) In* 2 2hpLn網(wǎng)翼氣薦心叫 詈蔦畀JJWplnWn)其中,Ln,Lp分別為p區(qū)電子,n區(qū)空穴的擴散長度。其中,(9)精品文檔精品文檔精品文檔2m*”Egq342h2qh上式第一項為隧穿電流,當反偏壓較高時起主要作用,第二項為寄生漏電流。m;為電子的有效質(zhì)量,為一個于隧穿勢壘的形狀有關(guān)的參數(shù),對于帶-帶隧穿過程,接近1,h為Planek常數(shù)除以2,Eg為帶隙,Rd為寄生漏電阻。考慮APD的寄生串聯(lián)電阻 ,由(6
11、-9)式可得如圖2所示的APD電路模型。這里應(yīng)說明的是,用此模型編寫直流模擬程序時,必須滿足條件-n p p ”:1nr1-nt,否則得到的解是沒有意義的。此外 這個條件可得到擊穿電壓。本模型對于i區(qū)為量子阱或超晶格結(jié)構(gòu)也適用,只是離化率和漂移速度要采用加權(quán)平表L PIN至PD模型塞數(shù)Model prstuieterModel paRmet ervalueModel piiKtervlneAf tmr.2500cm -s110T沖d/cnr 5XLOLSJFn/ gill;1,8竊ns1.7M/cui3F XioL1Model paramerervaluebEde】paiaiuettrvalu
12、eModel pMsnuierlue礦秒IEf5ta砧0 51( (TIT:nr1空G pF0 01X10.0328耳曲V5JL口IAQ 3Dt cnj:” 齊1100總In:Rtl0 C41編;tnr50a cm1$ 7 X10T0. 9cm1504 V an 11,7 xicr咅enr-乜:aoooem |27G1g cm3IO7巧dVI. 56叩tor】5.3 XI0*V cm13500島cmLi. 1 xioTV cm12.17 Mb片enr Tr1300%,cm1.1 xioTG10. 7512igz FINAFPis精品文檔其中,W,b, W,- b,WW,Wb分別為阱和壘材料的離
13、化率,載流子漂移速度及阱和 壘區(qū)的寬度(對于周期結(jié)構(gòu),為一個周期內(nèi)的寬度,對于非周期結(jié)構(gòu)為總寬度)離化率主要 以窄帶隙材料為主。2.模擬實例為驗證模型,這里對一種ln.4Ga0.5Asl nPPIN-APD的暗電流特性和脈沖響應(yīng)特性進行了模擬,并與相關(guān)文獻的實驗結(jié)果進行了比較。所用的模型參數(shù)見下表,比較結(jié)果見圖3和圖4.圖3給出暗電流特性,實線為模擬結(jié)果,“*”為其他文獻報道的實驗結(jié)果,圖中可見二者符合較好。對于小的偏壓,暗電流以擴散電流和寄生漏電流為主,對大 的偏壓,暗電流表現(xiàn)為隧穿電流)該器件的擊穿電壓為80.5 V。圖4給出脈沖響應(yīng)特性。輸入信號寬度為I0ps峰值功率imW勺Gauss形
14、脈沖,偏壓為50V,取樣電阻為5 0 SZ,光由P區(qū)人射。由圖可見,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較符合。這個器件本身的電容比較小,寄生電容對波形的影響比較大。圖中給出Cs=1pF和1.5pF兩條模擬曲線,對應(yīng)的半峰全寬(FWHM分別為150 ps和175 ps,其他文獻給出的結(jié)果為140ps.由以上比較結(jié)果可見,這里給出的PIN-APD電路模型能比較好的預(yù)測器件的性能此外,這里還給出了對這個器件的其它模擬結(jié)果。見圖5-7.圖5給出對應(yīng)不同光功率的光電流曲線。在很大的偏壓范圍內(nèi),曲線都比較平坦,只有在接近擊穿電壓時,光電流才隨偏壓的提高而增 大,這主要是隧穿電流造成的。圖6給出1JW輸入光功率情況下的量
15、子效率隨偏壓的變化關(guān)系。這里量子效率定義為光生電子一空穴對數(shù)與人射光子數(shù)之比。當偏壓小于子效率基本保持為40%隨偏壓升咼,量子效率迅速增大,對應(yīng)80 V的量子效率為均的形式WWW bWbWW Wb、Wb(WWWb)、wWbbWw55 V時,量JU WJV4E1知(KI1-1 ki iq L愍的:耳結(jié)軍-t必:散推呈 敘精品文檔精品文檔9.457%,圖7給出不同偏壓下的脈沖響應(yīng),條件同圖4。由圖可見,隨偏壓的增大,響應(yīng)幅度增大,F(xiàn)WHM增大,這是由于雪崩效應(yīng)造成的。當偏壓接近擊穿電壓時,該器件已不能響 應(yīng)這樣短的脈沖。1D1,止_ |10紗3C 40 50 60 M腫Mffi G給定功辜庁訕子啟牢與値
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