雪崩光電二極管偏置電壓及暗電流

雪崩光電二極管偏置電壓及暗電流PIN型光電二極管提高了PN結(jié)光電二極管的時間響應(yīng)，但未能提高器件的光電靈敏度。為了提高光電二極管的靈敏度，人們設(shè)計(jì)了雪崩光電二極管，使光電二極管的光電靈敏度提高到需要的程度。1.結(jié)構(gòu)如圖3-7所示為三種雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-7（a）所示為在P型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的N+層，制成P型N結(jié)構(gòu)；圖3-7（b）所示為在N型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的P+層，制成N型P結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管。無論P(yáng)型N還是N型P結(jié)構(gòu)，都必須在基片上蒸涂金屬鉑形成硅化鉑（約10nm）保護(hù)環(huán)。圖3-7（c）所示為PIN型雪崩光電二極管。由于PIN型光電二極管在較高的反向偏置電壓的作用下其耗盡區(qū)會擴(kuò)展到整個PN結(jié)結(jié)區(qū)，形成自身保護(hù)（具有很強(qiáng)的抗擊穿功能），因此，雪崩光電二極管不必設(shè)置保護(hù)環(huán)。目前，市場上的雪崩光電二極管基本上都是PIN型的。雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場內(nèi)的定向運(yùn)動產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在強(qiáng)電場的作用下進(jìn)行高速定向運(yùn)動，具有很高動能的光生電子或空穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子-空穴對；二次電子和空穴對在電場的作用下獲得足夠的動能，又使晶格原子電離產(chǎn)生新的電子-空穴對，此過程像“雪崩”似地繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。其電流倍增系數(shù)定義為M=I/IQ （3-10J式中，I為倍增輸出電流，I0為倍增前的輸出電流。雪崩倍增系數(shù)M與碰撞電離率有密切的關(guān)系。碰撞電離率表示一個載流子在電場作用下，漂移單位距離所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)目實(shí)際上電子電離率an和空穴電離率aP是不完全一樣的，它們都與電場強(qiáng)度有密切關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)確定，電離率a與電場強(qiáng)度E近似有以下關(guān)系a=Ae-{^m （3-11）式中，A、b、m都為與材料有關(guān)的系數(shù)。假定an=aP=a,可以推導(dǎo)出胚二一（3-12）1-j式中，XD為耗盡層的寬度。上式表明，當(dāng)adx^l （3-13） 時，M-8。因此，稱式（3-13）為發(fā)生雪崩擊穿的條件。其物理意義是：在強(qiáng)電場作用下，當(dāng)通過耗盡區(qū)的每個載流子平均能產(chǎn)生一對電子-空穴對，就發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。當(dāng)M—8時，PN結(jié)上所加的反向偏壓就是雪崩擊穿電壓UBR。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在反向偏壓略低于擊穿電壓時，也會發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象，不過這時的M值較小，M隨反向偏壓U的變化可用經(jīng)驗(yàn)公式近似表示為式中，指數(shù)n與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對N+P結(jié)，n“2;對P+N結(jié)，n^4o由上式可見，當(dāng)U^UBR時，M-8,PN結(jié)將發(fā)生擊穿。適當(dāng)調(diào)節(jié)雪崩光電二極管的工作偏壓，便可得到較大的倍增系數(shù)。目前，雪崩光電二極管的偏壓分為低壓和高壓兩種，低壓在幾十伏左右，高壓達(dá)幾百伏。雪崩光電二極管的倍增系數(shù)可達(dá)幾百倍，甚至數(shù)千倍。雪崩光電二極管暗電流和光電流與偏置電壓的關(guān)系曲線如圖3-8所示。從圖3-8可以看到，當(dāng)工作偏壓增加時，輸出亮電流（即光電流和暗電流之和）按指數(shù)形式增加。在偏壓較低時，不產(chǎn)生雪崩過程，即無光電流倍增。所以，當(dāng)光脈沖信號入射后，產(chǎn)生的光電流脈沖信號很小（如A點(diǎn)波形）。當(dāng)反向偏壓升至B點(diǎn)時，光電流便產(chǎn)生雪崩倍增，這時光電流脈沖信號輸出增大到最大（如B點(diǎn)波形）。當(dāng)偏壓接近雪崩擊穿電壓時，雪崩電流維持自身流動，使暗電流迅速增加，光激發(fā)載流子的雪崩放大倍率卻減小，即光電流靈敏度隨反向偏壓增加反而減小，如在C點(diǎn)處光電流的脈沖信號減小。換句話說，當(dāng)反向偏壓超過B點(diǎn)后，由于暗電流增加的速度更快，使有用的光電流脈沖幅值減小。所以最佳工作點(diǎn)在接近雪崩擊穿點(diǎn)附近。有時為了壓低暗電流，會把工作點(diǎn)向左移動一些，雖然靈敏度有所降低，但是暗電流和噪聲特性有所改善。從圖3-8所示的伏安特性曲線可以看出，在雪崩擊穿點(diǎn)附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，當(dāng)反向偏壓有較小變化時，光電流將有較大變化。另外，在雪崩過程中PN結(jié)上的反向偏壓容易產(chǎn)生波動，將影響增益的穩(wěn)定性。所以，在確定工作點(diǎn)后，對偏壓的穩(wěn)定度要求很高。BCAE3-8雪崩光電二極管暗電侖口光電流與偏置電壓的關(guān)系曲線0.900.010 50 100150200250300CW0.50Q.300.200.10BCAE3-8雪崩光電二極管暗電侖口光電流與偏置電壓的關(guān)系曲線0.900.010 50 100150200250300CW0.50Q.300.200.10暗電流脈沖信號光電流:3.噪聲由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的運(yùn)動方向變得更加隨機(jī)，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無倍增的情況下，其噪聲電流主要為如式（3-6）所示的散粒噪聲。當(dāng)雪崩倍增M倍后，雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可近似由下式計(jì)算：匚二2阿曲 （3-1