雪崩二极管
本页面介绍 APD 雪崩二极管的原理和特点
原理
雪崩光电二极管（APD） 可以显著的增加接收机灵敏度。为达到载流子的倍增，光生载流子必须穿过一个具有非常高的反向电场的高场区。在这个高场区，光生电子和空穴可以获得很高的能量。因此它们的高速碰撞在价带的电子使其产生电离，从而激发出新的电子空穴对。这种载流子倍增的机制称为碰撞电离。新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量，从而导致更多的碰撞电离产生。这种现象就是所谓的雪崩效应。
分类
光纤通信在 0.85μm 波段常用的APD有保护环型 GAPD 和拉通型 RAPD 两种。
特性
其特性在波长响应、线性饱和上与 PIN 相似，但在量子效率和响应度上，响应度比 PIN 提高 M 倍，量子效率总是小于 1，不涉及倍增。
过剩噪声
APD的过剩噪声。雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程，必将引入随机噪声。定义APD的过剩噪声系数为。
随机变量 g 是每个初始的电子空穴对生成的二次电子空穴对的随机数，包括初始电子空穴对本身；G 是平均雪崩增益。\(F(G)\) 表示由于雪崩效应的随机性引起的过剩噪声系数。
在工程应用上，为了简化计算，常用过剩噪声指数 x 来表示过剩噪声系数，即 \(F(G)\) 约等于 \(G^x\)。
过剩噪声指数 x 与器件所用的材料和制作工艺有关。Si-APD 的 x 在 0.3-0.5 之间，Ge-APD 的 x 在 0.8-1.0 之间，InGaAs-APD 的 x 在 0.5-0.7 之间。
影响因素：光子被吸收后产生初级电子空穴对的随机性，二次电子空穴对的随机性。
雪崩倍增因子
APD的平均雪崩增益。雪崩倍增过程是复杂的随机过程，每一个初始的光生的电子空穴对在什么位置产生，它们在什么位置发生碰撞电离，总共激发出多少二次电子空穴对，这些都是随机的。
往往通过平均雪崩增益 G 来表示 APD 的倍增的大小。光电二极管的平均雪崩增益 G 的定义为：
式中，\(I_M\) 是雪崩增益后的输出电流的平均值，\(I_P\) 是未倍增时的初始光生电流。
在实际中，雪崩光电二极管的击穿电压\(V_B\)往往用暗电流增加到某一值来表示，而平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为
式中：\(V\)是APD的反向偏压；\(R_S\)是APD的串联电阻；指数\(m\)是由APD的材料和结构决定的参量。
由初级电子通过雪崩产生的二次电子 - 空穴对数目是随机的，其平均数目称为雪崩增益，用\(G\)来表示（\(G = I_M/I_P\)，其中\(I_M\)是雪崩增益后的输出电流平均值，\(I_P\)是未经倍增时的初始光电流）。\(G\)是一个统计平均值。雪崩增益\(G\)可以很大，然而大的\(G\)值也伴随大的
APD 噪声，在增益和噪声之间应进行折中，选择合适的 G 值以使其性能最佳。
式中，\(I_p\)和\(I_{p0}\)分别表示 APD 的输出平均电流和平均初级光生电流。
击穿电压和暗电流
APD 相比 PIN 更大
响应速度
APD的平均倍增和带宽的乘积为一常数。
常用指标
| InGaAs - PIN | InGaAs - APD | |
|---|---|---|
| 工作波长（μm） | 1.31 | 1.55 |
| 量子效率（%） | 75 | 75 |
| 响应度（A/W） | 0.78 | 0.94 |
| 暗电流（nA） | 0.1 | 20 |
| 检测宽度（GHz） | 2.0 | 3.0 |
| 结电容（pF） | 1.1 | 0.5 |
| 典型应用 | 622Mb/s | 2.5Mb/s |