硅光電二極管（Si PD）是最基礎的硅光電探測器，深入理解其工作特性有助于理解雪崩光電二極管（APD）。本文將以PD為起點，介紹其基本原理、輸出電流及時間特性等，并在此基礎上，進一步講解雪崩光電二極管（APD）的增益特性。

在晶體硅中進行摻雜，形成P型和N型半導體，兩者結合形成PN結。由于N區和P區之間的多數載流子濃度梯度較大，即電子從N區擴散，空穴從P區擴散至對側并復合。復合過程會耗盡結兩側相鄰區域的多數載流子，形成所謂耗盡層。如下圖所示：

圖1 PD工作原理  

內部電場形成過程中，由于載流子的漂移運動和擴散運動逐漸在強度上形成平衡，載流子的凈遷移停止，此時，如果通過外部能量源（如光子或熱能）在耗盡層兩側產生過剩載流子，則可能打破這種平衡，引發結兩側的凈電流。

• 這種外部能量可以是熱激發，產生電子空穴對，并分別向兩端移動，即產生所謂的暗電流；

• 這種外部能量可以是光子，即產生光電流。通常用光電流來表征光強，光電流從陽極流出，大小和光強成正比。

由于耗盡層外缺乏電場，載流子需依靠擴散和布朗隨機行走到達耗盡層，之后才能在電場作用下快速漂移穿過PN結并被收集。

• 增加反偏電壓，耗盡層深度增加，同時也會導致更多熱生載流子被收集，那么暗電流也會增加。

• 類似于平行板電容器，通過增加反偏電壓，增加耗盡層深度會減小PN結的結電容，從而提高光電二極管的頻率帶寬。

• 為進一步改善PN型光電二極管的頻率響應和帶寬，可在P區和N區之間引入本征硅區域，形成PIN型光電二極管。該本征區域可降低單位面積電容，從而提高截止頻率和帶寬。

圖2 PN型和PIN型PD對比

光電二極管沒有內部載流子倍增或增益機制。這些光電二極管的增益為 1，因此適合檢測相對強的光信號。接下來，我們將介紹具有內部增益機制、適用于檢測低光信號水平的雪崩光電二極管（APD）。

雪崩光電二極管APD全稱：Avalanche Photo Diode，它具有高速、高靈敏度特性。常用于光纖通訊、激光測距、光譜測量、醫學影像診斷、環境監測等方面。濱松提供各類封裝（金屬、陶瓷、表面貼裝），單點/陣列，以及模塊產品。

圖3 長按下載APD技術使用指南

APD雪崩增益帶來的最大優勢，在于它能將原始光信號的幅值（相對于其自身的噪聲）提升到足以壓倒后續讀出電路噪聲的水平，從而顯著改善系統的信噪比。

圖4 APD雪崩增益效果

除了加深耗盡層外，增加PN結兩端的反向偏置電壓還會增強耗盡層中的電場。載流子在電場的作用下，速度會增加。這些載流子撞擊晶格時可能使其電離，這種碰撞電離效應構成載流子倍增現象，使漂移的載流子數量迅速增加，類似雪崩過程。原始光生載流子數量與最終收集的電荷信號之間的載流子數量之比，即為雪崩過程的增益。

圖5 APD工作原理

然而，APD的增益特性依賴于其工作條件。接下來，我們將介紹波長、溫度與反向偏壓這三個條件如何影響APD的增益。

量子效率受光波長影響，這個是比較好理解的。此外，APD的增益也會受到波長影響，這個現象是比較有意思的。要理解這一點，需注意APD有兩種可選的制造結構：N-on-P（近紅外型）和P-on-N（短波長型）。

其原理在于：由于長波（如近紅外光）的穿透力更強，往往在器件的更深區域激發產生光生載流子。同時，對硅材料而言，電子的電離率比空穴更高。在N-on-P結構中，由長波光子在深處激發的電子需要穿越更長的雪崩倍增區，從而經歷更多的碰撞電離機會，因此，N-on-P結構在長波長響應方面具有更高的增益。類似的，P-on-N結構則在短波長響應方面具有更高的增益。如下圖所示，該圖清晰地展示了短波型和近紅外型APD的靈敏度（即增益）隨波長的變化趨勢。

圖6 短波型和近紅外型APD的光靈敏度/增益隨波長的變化

APD增益會隨溫度升高而降低。其物理機制是：在高溫下，晶格的熱振動（聲子振動）增強，這就導致被電場加速的載流子與晶格發生碰撞的概率增加。這些碰撞會使載流子損失動能，當能量不足以碰撞電離出新的電子-空穴對時，雪崩倍增效應就會被抑制，新生的載流子數量減少，最終造成增益的下降。其變化趨勢如下圖所示。

圖7 增益vs反偏電壓曲線隨溫度的變化

因此，如果需要讓APD的增益在工作過程中保持相對穩定，就必須對施加的反偏電壓進行溫度補償。溫度補償的具體邏輯是：將溫度傳感器放置在APD旁邊實時監測其結溫。當監測到溫度上升了1℃時，便根據該型號APD產品手冊中提供的擊穿電壓溫度系數，相應地將反偏電壓提升一個對應的電壓值，以抵消溫度升高帶來的增益下降。

APD增益隨反向偏置電壓的增加而增大，這個規律比較容易理解：反向偏壓越高，耗盡區內的電場強度就越大，載流子在電場中被加速后獲得的動能也就更大，其碰撞電離的概率（電離率）隨之增高，從而導致增益增大。

從下圖的增益-電壓曲線可以看出，這條曲線上存在兩個明顯的拐點，分別在50 V和110 V左右。

圖8 增益隨反偏電壓的變化

對于50V至110V，在對數坐標下更像直線，符合指數函數規律。對于110V至140V左右則適用于理想突變結近似擬合。

APD的增益M與反偏電壓V的關系，核心是基于雪崩倍增效應的物理模型。

雪崩光電二極管（APD）的增益M與反偏電壓V的關系，核心是基于雪崩倍增效應的物理模型。

下面我們舉個實際的測試案例：

APD型號：S3884

擊穿電壓值Vb：164 V@25℃

推薦工作電壓值Vr：150 V@增益為100

環境溫度：25℃。

圖9 增益隨反偏電壓的關系

對于反偏電壓遠低于擊穿電壓的低增益區間時，我們使用以下指數函數公式進行擬合：

圖10 低增益區擬合

對于反偏電壓接近但未達到擊穿電壓時，我們使用以下理想突變結近似公式進行擬合：

圖11 高增益區擬合

當APD工作在擊穿電壓附近時，增益急劇上升并且難以獲取，我們可以注意到：暗環境下，當APD的反偏電壓（158 V~161 V）接近擊穿電壓值（164 V）時，APD的暗噪聲會迅速提升。

圖12 擊穿電壓附近暗噪聲迅速上升

APD最佳工作點增益是指 APD 維持相對恒定帶寬和穩定噪聲輸出時的最高增益水平，可以通過下圖來進行估算，APD 的最佳工作增益通常在幾十到一百左右。

圖13 APD最佳工作點增益計算

計算示例：

在溫度300K、光電流1μA、負載電阻50Ω、過剩噪聲指數0.3的條件下，計算得到最佳增益約為27.6。

此外，APD的增益測試方法在此文章APD增益測量，2分鐘掌握核心方法中有詳細說明。

PD與APD是面向不同需求的解決方案，其核心區別在于是否具備內部增益。

• PD (增益 = 1)：結構簡單穩定，成本較低，是強光信號探測應用的理想選擇。通過反偏壓優化和PIN結構，可滿足大多數常規應用對速度和帶寬的要求。

• APD (增益 > 1)：通過內部雪崩倍增效應提供高增益，專為微弱光信號探測設計，但需要更精細的電壓控制和溫度管理。

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