光电APD探测器

　　虽然PIN结构通过扩展空间电荷区有效地提高了工作速度和量子效率，但是它无法将光生载流子放大，因此信噪比和灵敏度还不够理想。为了能探测到微弱的入射光，我们希望光电探测器具有内部增益，即少量的光生载流子在倍增电场作用下能产生较大的光生电流。雪崩光电二极管就是这样一种光电探测器，它是一种具有内部增益、能将探测到的光电流进行放大的有源器件。APD的工作原理为雪崩电离效应，即在＋n结附近有一高电场，光生电子和空穴在该区中被加速，获得很高的能量。如果载流子能量足够大则它将会去碰撞晶格原子，使束缚的电子电离，从而在导带和价带产生一对电子－空穴对。因碰撞产生的载流子也会被加速并继续去碰撞其他晶格原子，进一步产生电子－空穴对，如图1所示。

　　图1  APD雪崩电离示意图

　　常用的APD为拉通型APD，如图2所示，它在PIN的吸收区i层和n层之间插入了一薄层P型层，形成n＋p7［p结构，这一新加入的P型层是一雪崩区。所谓拉通指的是在较大的外加偏压下耗尽区从＋n结拉通到p＋表面，使整个低掺杂的冗区都为空间电荷区。其工作原理如下：首先入射光在宽的耗尽区被吸收，产生的光生载流子在外电场作用下被分开各自朝正、负两极运动。对于图2所示结构，空穴被外电场扫向p＋区，电子则在外电场作用下朝n＋p结运动，在n＋p区强电场作用下发生雪崩倍增。

　　图2  拉通型APD

　　这种拉通型APD具有稳定的倍增系数，消除了APD的倍增系数随偏压改变而改变的特性。之所以倍增系数的大小依赖于外加偏压值，是因为以下两个原因： （1）电子和空穴两种载流子同时倍增引起了正反馈效应； （2）载流子离化率随电场的增大而指数增加。在图2拉通结构中只有电子参与了雪崩倍增过程，空穴只在耗尽区电场作用下向p＋区漂移，并不参与雪崩电离。因此消除了两种载流子倍增引起的正反馈效应。此外，拉通型APD具有很宽的耗尽区，冗区比倍增区宽得多，外加电压的变化部分加在了耗尽区从雨保持倍增区电场的相对稳定。拉通型APD还具有高速、高响应度等特点，在PIN中虽然在I区中载流子能以较大漂移速度运动，但在离本征区边界一个扩散长度内的载流子仍然需要经过缓慢的扩散才能到达耗尽区，这一部分载流子的扩散时间就影响了PIN的工作速度。而在APD中所有的光吸收都发生在宽的耗尽区中，避免了载流子的扩散，既提高了工作速度，又使得入射光被充分吸收，从而提高了响应度。

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