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雪崩光电二极管

2015-3-24 08:44| 编辑:电工学习网| 查看: 5643| 评论: 0

  

    在长途光纤通信系统中,仅有毫瓦数量级的光功率从光发射机输出,经过几十公里光纤的传输衰减,到达光接收机处的光信号将变得十分微弱.在接收端如果采用PIN光电二极管,那么,所输出的光电流仅几个nA.为了能使数字光接收机的判决电路正常工作,就需要采用多级放大.但放大器同时也将引入噪声,从而使光接收机的信噪比降低,接收机的灵敏度也随之降低.
    如果能使电信号进入放大器之前,先在光电二极管内部进行放大,显然,就能克服PIN光电二极管的上述缺点,这就引出了一种另外类型的光电二极管,即雪崩光电二极管,又称APD( Avalanche Photo Diode).
    1.雪崩光电二极管的雪崩倍增效应
    雪崩光电二极管的雪崩倍增效应,是在二极管的P-N结上加高反向电压(一般为几十伏或几百伏)形成的,此时在结区形成一个强电场,在高场区内光生载流子被强电场加速,获得高的动能,与晶格的原子发生碰撞,使价带的电子得到能量,越过禁带到导带,产生了新的电子-空穴对,新产生的电子一空穴对在强电场中又被加速,再次碰撞,又激发出新的电子-空对……如此循环下去,像雪崩一样的发展,从而使光电流在管子内部即获得了倍增.
    2.雪崩光电二极管的结构及其工作原理
    目前光纤通信系统中使用的雪崩光电二极管结构形式有保护环型和拉通(又称通达)型.前者是在制作时淀积一层环形的N型材料,以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿.下面主要介绍拉通型雪崩光电二极管( RAPD),它的结构示意图和电场分布如图1所示.其中,
    图(a)是纵向剖面的结构示意图;
    图(b)是将纵向剖面顺时针转900的示意图;
    图(C)是它的电场强度随位置的分布图。

图1 雪崩光电二极管的结构和能带示意图

 

    由图(b)可见,它仍然是一个P-N结的结构形式,只不过其中的P型材料是由三部分构成,光子从P+层射人,进入I层后,在这里,材料吸收了光能并产生了初级电子一空穴对.这时,光电子在I层被耗尽层的较弱的电场加速,移向P-N结.当光电子运动到高场区时,受到强电场的加速作用出现雪崩碰撞效应,最后,获得雪崩倍增后的光电子到达N+层,空穴被P+层吸收.P+之所以做成高掺杂,是为了减小接触电阻以利与电极相连。
    由图(C)还可以看出,它的耗尽层从结区一直拉通到I层与P+层相接的范围内,在整个范围内电场增加较小.这样,这种RAPD器件就将电场分为两部分,一部分是使光生载流子逐渐加速的较低的电场,另一部分是产生雪崩倍增效应的高电场区,这种电场分布有利于降低工作电压.
    前面介绍了雪崩光电二极管具有雪崩倍增效应这个有利方面.但是,由于雪崩倍增效应的随机性,会带来它的不利的方面,这就是这种随机性将引入噪声.
    如果不采用APD,则必然要采用多级电的放大器.显然,这也要引入噪声.两者相比,还是采用APD较为有利.
    雪崩光电二极管随使用的材料不同有:Si-APD(工作在短波长区);Ge-APD,InGaAs-APD等(工作在长波长区).

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