整理雪崩光電二極管的特性

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，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系。由實驗確定，電離率與電場強度EJ近似有以下關系：_4)m：=AeE式中，A,b,m都為與材料有關的系數(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結得結構有關。對N P結，n 2;M P N結，n 4。由上式可見,當U UBR時，M： ,PN結將發(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所示的一維結構，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，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。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，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)結果得到In，Ip與Pin，Vn，Vn的關系: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?？紤]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構也適用，只是離化率和漂移速度要采用加權平表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（對于周期結構，為一個周期內(nèi)的寬度，對于非周期結構為總寬度）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特性進行了模擬，并與相關文獻的實驗結果進行了比較。所用的模型參數(shù)見下表，比較結果見圖3和圖4.圖3給出暗電流特性，實線為模擬結果，“*”為其他文獻報道的實驗結果，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，模擬結果與實驗結果比較符合。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，對應的半峰全寬（FWHM分別為150 ps和175 ps，其他文獻給出的結果為140ps.由以上比較結果可見，這里給出的PIN-APD電路模型能比較好的預測器件的性能此外，這里還給出了對這個器件的其它模擬結果。見圖5-7.圖5給出對應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，條件同圖4。由圖可見，隨偏壓的增大，響應幅度增大，F(xiàn)WHM增大，這是由于雪崩效應造成的。當偏壓接近擊穿電壓時，該器件已不能響 應這樣短的脈沖。1D1,止_ |10紗3C 40 50 60 M腫Mffi G給定功辜庁訕子啟牢與値