雪崩光電二極體的暗電流存在的原因及測試方法

暗電流是由什麼引起的

雪崩光電二極體

雪崩光電二極體是一種p-n結型的光檢測二極體，其中利用了載流子的雪崩倍增效應來放大光電訊號以提高檢測的靈敏度。其基本結構常常採用容易產生雪崩倍增效應的Read二極體結構（即N+

PI

P+型結構，P+一面接收光），工作時加較大的反向偏壓，使得其達到雪崩倍增狀態；它的光吸收區與倍增區基本一致（是存在有高電場的P區和I區）。

P-N結加合適的高反向偏壓，使耗盡層中光生載流子受到強電場的加速作用獲得足夠高的動能，它們與晶格碰撞電離產生新的電子一空穴對，這些載流子又不斷引起新的碰撞電離，造成載流子的雪崩倍增，得到電流增益。在0。6～0。9μm波段，矽APD具有接近理想的效能。InGaAs（銦鎵砷）/InP（銦磷）APD是長波長（1。3μn，1。55μm）波段光纖通訊比較理想的光檢測器。其最佳化結構如圖所示，光的吸收層用InGaAs材料，它對1。3μm和1。55μn的光具有高的吸收係數，為了避免InGaAs同質結隧道擊穿先於雪崩擊穿，把雪崩區與吸收區分開，即P-N結做在InP視窗層內。鑑於InP材料中空穴離化係數大於電子離化係數，雪崩區選用n型InP，n-InP與n-InGaAs異質介面存在較大價帶勢壘，易造成光生空穴的陷落，在其間夾入帶隙漸變的InGaAsP（銦鎵砷磷）過渡區，形成SAGM（分別吸收、分級和倍增）結構。

在APD製造上，需要在器件表面加設保護環，以提高反向耐壓效能；半導體材料以Si為優（廣泛用於檢測0。9um以下的光），但在檢測1um以上的長波長光時則常用Ge和InGaAs（噪音和暗電流較大）。這種APD的缺點就是存在有隧道電流倍增的過程，這將產生較大的散粒噪音（降低p區摻雜，可減小隧道電流，但雪崩電壓將要提高）。一種改進的結構是所謂SAM-APD：倍增區用較寬禁頻寬度的材料（使得不吸收光），光吸收區用較窄禁頻寬度的材料；這裡由於採用了異質結，即可在不影響光吸收區的情況下來降低倍增區的摻雜濃度，使得其隧道電流得以減小（如果是突變異質結，因為ΔEv的存在，將使光生空穴有所積累而影響到器件的響應速度，這時可在突變異質結的中間插入一層緩變層來減小ΔEv的影響）。

主要特性

①雪崩增益係數M（也叫倍增因子），對突變結

式中V為反向偏壓，VB為體雪崩擊穿電壓；n與材料、

器件結構及入射波長等有關，為常數，其值為1～3。②增益頻寬積，增益較大且頻率很高時，

M（ω）·ω

式中ω為角頻率；N為常數，它隨離化係數比緩慢變化；W為耗盡區厚度；Vs為飽和速度；αn及αp分別為電子及空穴的離化係數，增益頻寬積是個常數。要想得到高乘積，應選擇大Vs，小W及小αn/αp（即電子、空穴離化係數差別要大，並使具有較高離化係數的載流子注入到雪崩區）。③過剩噪聲因子F，在倍增過程中，噪聲電流比訊號電流增長快，用F表示雪崩過程引起的噪聲附加F≈Mx。式中x稱過剩噪聲指數。要選擇合適的M值，才能獲得最佳信噪比，使系統達到最高靈敏度。④溫度特性，載流子離化係數隨溫度升高而下降，導致倍增因子減小、擊穿電壓升高。用擊穿電壓的溫度係數盧描述APD的溫度特性。

β=

式中VB及VB0分別是溫度為T及T0時的擊穿電壓。

使用時要對工作點進行溫控，要製造均勻的P-N結，以防區域性結面被擊穿。

雪崩光電二極體的暗電流存在的原因及測試方法

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。對於小的

偏壓，暗電流以擴散電流和寄生漏電流為主，對大的偏壓，暗電流表現為隧穿電流）該器件的擊穿電壓為80。5 V。

圖4給出脈衝響應特性。輸入訊號寬度為10ps峰值功率1mW的Gauss形脈衝，偏壓為50V，取樣電阻為5 0 SZ，光由P區人射。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1sCpF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，這裡給出的PIN-APD電路模型能比較好的預測器件的效能。此外，這裡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。在很大的偏壓範圍內，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1W輸入光功率情況下的量子效率隨偏壓的變化關係。這裡量子效率定義為光生電子一空穴對數與人射光子數之比。當偏壓小於55 V時，量子效率基本保持為40%，隨偏壓升高，量子效率迅速增大，對應80 V的量子效率為9。457%，圖7給出不同偏壓下的脈衝響應，條件

同圖4。由圖可見，隨偏壓的增大，響應幅度增大，FWHM增大，這是由於雪崩效應造成的。當偏壓接近擊穿電壓時，該器件已不能響應這樣短的脈衝。

雪崩光電二極體的保護

雪崩光電二極體是一種p-n結型的光檢測二極體，其中利用了載流子的雪崩倍增效應來放大光電訊號以提高檢測的靈敏度。其基本結構常常採用容易產生雪崩倍增效應的Read二極體結構（即N+PIP+型結構，P+一面接收光），工作時加較大的反向偏壓，使得其達到雪崩倍增狀態；它的光吸收區與倍增區基本一致（是存在有高電場的P區和I區）。

P-N結加合適的高反向偏壓，使耗盡層中光生載流子受到強電場的加速作用獲得足夠高的動能，它們與晶格碰撞電離產生新的電子一空穴對，這些載流子又不斷引起新的碰撞電離，造成載流子的雪崩倍增，得到電流增益。在0。6～0。9μm波段，矽APD具有接近理想的效能。InGaAs（銦鎵砷）/InP（銦磷）APD是長波長（1。3μn，1。55μm）波段光纖通訊比較理想的光檢測器。

光的吸收層用InGaAs材料，它對1。3μm和1。55μn的光具有高的吸收係數，為了避免InGaAs同質結隧道擊穿先於雪崩擊穿，把雪崩區與吸收區分開，即P-N結做在InP視窗層內。鑑於InP材料中空穴離化係數大於電子離化係數，雪崩區選用n型InP，n-InP與n-InGaAs異質介面存在較大價帶勢壘，易造成光生空穴的陷落，在其間夾入帶隙漸變的InGaAsP（銦鎵砷磷）過渡區，形成SAGM（分別吸收、分級和倍增）結構。在APD製造上，需要在器件表面加設保護環，以提高反向耐壓效能；半導體材料以Si為優（廣泛用於檢測0。9um以下的光），但在檢測1um以上的長波長光時則常用Ge和InGaAs（噪音和暗電流較大）。

這種APD的缺點就是存在有隧道電流倍增的過程，這將產生較大的散粒噪音（降低p區摻雜，可減小隧道電流，但雪崩電壓將要提高）。一種改進的結構是所謂SAM-APD：倍增區用較寬禁頻寬度的材料（使得不吸收光），光吸收區用較窄禁頻寬度的材料；這裡由於採用了異質結，即可在不影響光吸收區的情況下來降低倍增區的摻雜濃度，使得其隧道電流得以減小（如果是突變異質結，因為ΔEv的存在，將使光生空穴有所積累而影響到器件的響應速度，這時可在突變異質結的中間插入一層緩變層來減小ΔEv的影響）。

淺說雪崩光電二極體

光電二極體模式—光電流在圖2所示環路中流動，從而正向偏置二極體。根據二極體對數正向V-I特性，解除安裝輸出電壓與光電流差不多成對數關係（極低電流下由RD改動）。因此，輸出電壓隨輻照度而呈現高非線性變化。這種特點有益於一些應用，因為在整個寬範圍內光線“亮度”的明顯變化（眼睛就是完美的對數）產生類似的電壓變化。由於二極體V-I特性的溫度依賴性，電壓與輻照度的絕對關係關不理想。

二極體電容限制了光伏模式的頻率響應。輻照度的迅速變化必會對CD充電和放電。這不是快速響應所使用的模式。

利用一個簡單的非逆

運算放大器

電路，我們可以緩衝或者放大輸出。使用低輸入偏置電流的CMOS或者JFET運算

放大器

，這樣您就可以不在低輻照度水平下給光電二極體施加負載。

為了在光伏模式下發電，我們需要載入輸出，然後大幅降壓。最高功率輸出的負載情況取決於輻照度。

光電導模式—二極體電壓保持恆定不變（常常為0V，如圖3所示）。跨阻抗放大器（

TI

A）常用於將光電流轉換為電壓。可以在光電二極體上使用反向偏置來降低其電容，但這會構成“暗電流”漏電流。由於在二極體上沒有形成正向電壓，因此響應隨輻照度的變化非常線性。另外，二極體電容的電壓不隨輻照度的變化而變化，因此頻率響應得到極大改善。低電容仍然很重要，因為它在反饋通路中形成一個極。它一般會要求使用一個反饋

電容器

CF，以獲得穩定性。

只需透過一個低值（約50歐姆）

電阻器

增加光電二極體負載，您可以得到光電導模式的諸多好處。如果二極體電壓不超出20mV，則您無需極大地對二極體正向偏置，並且響應也相當地線性和迅速。但是，敏感度非常低。

雪崩光電二極體為一些特殊二極體，其作用是工作在高反向偏置電壓下（接近二極體擊穿電壓）。這樣可放大低輻照度下的輸出電流。

選擇一個光電二極體有許多複雜的權衡過程，包括光電二極體大小尺寸、電容、噪聲、暗電流洩露和封裝型別。總之，最好使用一個小型光電二極體，並透過反射鏡或者透鏡集中有限光源。TI不單獨生產光電二極體，但是就許多基礎應用而言OPT101提供一整套解決方案，把光電二極體和TIA整合到同一塊IC上。