雪崩光电二极管的工作原理

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概念

在激光通信中使用的光敏元件。在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后,射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增)的现象,因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。

雪崩光电二极管的工作原理

主要特性

①雪崩增益系数M(也叫倍增因子),对突变结雪崩光电二极管的工作原理式中V为反向偏压,VB为体雪崩击穿电压;n与材料、器件结构及入射波长等有关,为常数,其值为1~3。

②增益带宽积,增益较大且频率很高时,M(ω)·ω雪崩光电二极管的工作原理式中ω为角频率;N为常数,它随离化系数比缓慢变化;W为耗尽区厚度;Vs为饱和速度;αn及αp分别为电子及空穴的离化系数,增益带宽积是个常数。要想得到高乘积,应选择大Vs,小W及小αn/αp(即电子、空穴离化系数差别要大,并使具有较高离化系数的载流子注入到雪崩区)。

③过剩噪声因子F,在倍增过程中,噪声电流比信号电流增长快,用F表示雪崩过程引起的噪声附加F≈Mx。式中x称过剩噪声指数。要选择合适的M值,才能获得最佳信噪比,使系统达到最高灵敏度。

④温度特性,载流子离化系数随温度升高而下降,导致倍增因子减小、击穿电压升高。用击穿电压的温度系数卢描述APD的温度特性。β=雪崩光电二极管的工作原理式中VB及VB0分别是温度为T及T0时的击穿电压。

工作原理

当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压(100-200V)时,在结区产生一个很强的电场,使进入场区的光生载流子获得足够的能量,在与原子碰撞时可使原子电离,而产生新的电子-空穴对。只要电场足够强,此过程就将继续下去,使PN结内电流急剧增加,达到载流子的雪崩倍增,这种现象称为雪崩倍增效应。

应用

激光测距仪, 共焦显微镜检查,视频扫描成像仪, 高速分析仪器, 自由空间通信, 紫外线传感, 分布式温度传感器等。

结构

每个模块包括一个光电探测器(快速光电二极管或雪崩光电二极管)和一个互阻抗放大器。同一封装中兼备放大器和光探测器,使其环境噪声更低,寄生电容更小。

雪崩光电二极管的工作原理

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