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半導體雪崩光電二極體

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半導體雪崩光電二極體是具有內部光電流增益的半導體光電子器件,又稱固態光電倍增管。它應用光生載流子在二極體耗盡層內的碰撞電離效應而獲得光電流的雪崩倍增。這種器件具有小型、靈敏、快速等優點,適用於以微弱光信號的探測和接收,在光纖通信、激光測距和其他光電轉換數據處理等系統中應用較廣。

1 半導體雪崩光電二極體 -工作原理

半導體雪崩光電二極體半導體雪崩光電二極體

具有內部光電流增益的半導體光電子器件,又稱固態光電倍增管。它應用光生載流子在二極體耗盡層內的碰撞電離效應而獲得光電流的雪崩倍增。這種器件具有小型、靈敏、快速等優點,適用於以微弱光信號的探測和接收,在光纖通信、激光測距和其他光電轉換數據處理等系統中應用較廣。

當一個半導體二極體加上足夠高的反向偏壓時,在耗盡層內運動的載流子就可能因碰撞電離效應而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導體二極體的反向擊穿機構時發現了這種現象。當載流子的雪崩增益非常高時,二極體進入雪崩擊穿狀態;在此以前,只要耗盡層中的電場足以引起碰撞電離,則通過耗盡層的載流子就會具有某個平均的雪崩倍增值。

碰撞電離效應也可以引起光生載流子的雪崩倍增,從而使半導體光電二極體具有內部的光電流增益。

2 半導體雪崩光電二極體 -雪崩二極體的發明

 1953年,K.G.麥克凱和K.B.麥卡菲報道鍺和硅的PN結在接近擊穿時的光電流倍增現象。1955年,S.L.密勒指出在突變pn結中,載流子的倍增因子M隨反向偏壓V的變化可以近似用下列經驗公式表示

M=1/【1-(V/VB)n


式中VB是體擊穿電壓,n是一個與材料性質及注入載流子的類型有關的指數。當外加偏壓非常接近於體擊穿電壓時,二極體獲得很高的光電流增益。PN結在任何小的局部區域的提前擊穿都會使二極體的使用受到限制,因而只有當一個實際的器件在整個PN結面上是高度均勻時,才能獲得高的有用的平均光電流增益。因此,從工作狀態來說,雪崩光電二極體實際上是工作於接近(但沒有達到)雪崩擊穿狀態的、高度均勻的半導體光電二極體。1965年,K.M.約翰遜及L.K.安德森等分別報道了在微波頻率下仍然具有相當高光電流增益的、均勻擊穿的半導體雪崩光電二極體。從此,雪崩光電二極體作為一種新型、高速、靈敏的固態光電探測器件漸漸受到重視。

性能良好的雪崩光電二極體的光電流平均增益嚔可以達到幾十、幾百倍甚至更大。半導體中兩種載流子的碰撞離化能力可能不同,因而使具有較高離化能力的載流子注入到耗盡區有利於在相同的電場條件下獲得較高的雪崩倍增。但是,光電流的這種雪崩倍增並不是絕對理想的。一方面,由於嚔隨注入光強的增加而下降,使雪崩光電二極體的線性範圍受到一定的限制,另一方面更重要的是,由於載流子的碰撞電離是一種隨機的過程,亦即每一個別的載流子在耗盡層內所獲得的雪崩增益可以有很廣泛的幾率分佈,因而倍增后的光電流I比倍增前的光電流I0有更大的隨機起伏,即光電流中的雜訊有附加的增加。與真空光電倍增管相比,由於半導體中兩種載流子都具有離化能力,使得這種起伏更為嚴重。一般將光電流中的均方雜訊電流〈i戩〉表示為

i戩〉=2qI02F(嚔)B


式中q為電子電荷,B為器件工作帶寬,F(嚔)表示雪崩倍增過程所引起雜訊的增加,稱為過剩雜訊因子。一般情況下,F隨嚔的變化情況相當複雜。有時為簡單起見,近似地將F表示為F=嚔x,x稱為過剩雜訊指數。Fx是雪崩光電二極體的重要參數。

由於F大於1,並隨嚔的增加而增加,因而只有當一個接收系統(包括探測器件即雪崩光電二極體、負載電阻和前置放大器)的雜訊主要由負載電阻及放大器的熱雜訊所決定時,提高雪崩增益嚔可以有效地提高系統的信噪比,從而使系統的探測性能獲得改善;相反,當系統的雜訊主要由光電流的雜訊決定時,增加嚔就不再能使系統的性能改善。這裡起主要作用的是過剩雜訊因子F的大小。為獲得較小的F值,應採用兩種載流子離化能力相差大的材料,使具有較高離化能力的載流子注入到耗盡層,併合理設計器件結構。

3 半導體雪崩光電二極體 -影響響應速度的因素

載流子在耗盡層中獲得的雪崩增益越大,雪崩倍增過程所需的時間越長。因而,雪崩倍增過程要受到「增益-帶寬積」的限制。在高雪崩增益情況下,這種限制可能成為影響雪崩光電二極體響應速度的主要因素之一。但在適中的增益下,與其他影響光電二極體響應速度的因素相比,這種限制往往不起主要作用,因而雪崩光電二極體仍然能獲得很高的響應速度。現代雪崩光電二極體增益-帶寬積已達幾百吉赫。

與一般的半導體光電二極體一樣,雪崩光電二極體的光譜靈敏範圍主要取決於半導體材料的禁帶寬度。製備雪崩光電二極體的材料有硅、鍺、砷化鎵和磷化銦等Ⅲ-Ⅴ族化合物及其三元、四元固熔體。根據形成耗盡層方法的不同,雪崩光電二極體有PN結型(同質的或異質結構的PN結。其中又有一般的PN結、PIN結及諸如 N+PπP+結等特殊的結構)、金屬半導體肖特基勢壘型和金屬-氧化物-半導體結構等。

4 半導體雪崩光電二極體 -優點

與真空光電倍增管相比,雪崩光電二極體具有小型、不需要高壓電源等優點,因而更適於實際應用;與一般的半導體光電二極體相比,雪崩光電二極體具有靈敏度高、速度快等優點,特別當系統帶寬比較大時,能使系統的探測性能獲得大的改善。

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