教你看懂APD雪崩光電二極管的參數(shù)以及如何測(cè)量增益

APD雪崩光電二極管是一種常用的光電器件，它能產(chǎn)生增益，因此相比PD光電二極管能探測(cè)更微弱的光。為方便選擇更合適的APD雪崩光電二極管，本文將教大家如何看懂APD雪崩光電二極管的各項(xiàng)參數(shù)。同時(shí)，還會(huì)講解如何測(cè)量APD雪崩光電二極管的增益。

以S14645-02和S14645-05為例，下圖為這兩個(gè)型號(hào)的參數(shù)表：

我們將按照最左側(cè)的參數(shù)（Parameter項(xiàng)），從上往下依次講解。

一，Spectral response range---光譜響應(yīng)范圍

從字面意思上就可以看出，該項(xiàng)參數(shù)是表示APD雪崩光電二極管的光譜響應(yīng)范圍，即可以測(cè)量什么波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。

具體來(lái)說(shuō)，APD雪崩光電二極管的短波下限取決于窗材透過(guò)率，長(zhǎng)波上限取決于本征材料特性。

以硅酸硼玻璃和塑料樹脂窗材為例，這類材料對(duì)短波具有吸收特性，因此，短波下限一般在400nm。如果對(duì)紫外波段有探測(cè)需求，可以選擇石英窗材的APD雪崩光電二極管，這類APD的短波下限都在300nm以下。

至于長(zhǎng)波上限，以Si APD為例。由于硅在常溫下的帶隙能為1.24 eV。λc=1240/Eg (nm)，Eg：帶隙能。帶入計(jì)算就可得到，以硅為感光材料的APD雪崩光電二極管，其長(zhǎng)波上限就在1100nm左右。如果您需要探測(cè)更長(zhǎng)波段的近紅外，就需要選擇InGaAs APD。

二，Peak sensitivity wavelength---峰值靈敏度波長(zhǎng)

字面意思，即靈敏度最高的波長(zhǎng)，也就是APD雪崩光電二極管在該波長(zhǎng)附近，靈敏度最高。

一般來(lái)說(shuō)，所選光源的波長(zhǎng)越靠近峰值靈敏度波長(zhǎng)，APD的信號(hào)輸出更大。注意，該參數(shù)并不是說(shuō)只能探測(cè)峰值靈敏度波長(zhǎng)，只是給出了一個(gè)靈敏度最大的波長(zhǎng)參考值。實(shí)際上，只要在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，APD雪崩光電二極管都是可以探測(cè)的。如果輸出靈敏度比較低，可以在后端做跨阻放大。

三，Photosensity---光靈敏度

光靈敏度是一個(gè)范圍值，需要理解為在特定波長(zhǎng)及增益倍數(shù)下的靈敏度。

光靈敏度（單位：A/W）的定義為光電流（單位：A）與特定波長(zhǎng)入射光輻射能通量（單位：W）的比值。光靈敏度的大小受溫度，波長(zhǎng)，增益的影響。增益為1可以理解為不加偏壓。

以S14645-02和S14645-05為例，在波長(zhǎng)為900nm，溫度為25℃，增益M=1的條件下，光靈敏度為0.5A/W。如果加上偏壓，如增益為100，則靈敏度為50A/W。

四，Quantum efficiency---量子效率

量子效率，可以理解為在特定波長(zhǎng)條件下，APD雪崩光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率，定義為：在特定波長(zhǎng)的光照下，最終形成光電流的電子（或空穴）數(shù)目占總?cè)肷涔庾拥陌俜直取挝灰话銥?%。

量子效率主要受光波長(zhǎng)和APD的光靈敏度兩個(gè)因素的影響。不同波長(zhǎng)的光子的能量是不同的，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光子的能量越大。因此，量子效率與光波長(zhǎng)成反比，與靈敏度成正比。下圖為量子效率（QE）的計(jì)算公式：

五，Breakdown voltage---擊穿電壓

擊穿電壓，顧名思義就是APD雪崩光電二極管發(fā)生擊穿現(xiàn)象時(shí)所施加的反向偏壓。定義為：APD暗電流為100uA的情況下，反向偏壓的大小。

APD的暗電流在擊穿電壓附近會(huì)快速上升。一般情況下，APD都是在擊穿電壓以下幾伏工作。但有時(shí)候，反向偏壓超過(guò)了擊穿電壓，也并一定會(huì)造成APD被擊穿，即APD不可逆損壞。以S14645-05為例，當(dāng)反向偏壓超過(guò)擊穿電壓后，如暗電流達(dá)到200uA，然后降低偏壓，APD仍能正?；謴?fù)。

原則上，APD是不允許超過(guò)擊穿電壓使用的。

六，Temperature coefficient of VBR---擊穿電壓溫度系數(shù)

擊穿電壓溫度系數(shù)，主要是用來(lái)表示擊穿電壓的變化與溫度變化的關(guān)系。

溫度會(huì)影響擊穿電壓的大小。當(dāng)溫度升高的時(shí)候，晶格振動(dòng)會(huì)變大，這就導(dǎo)致一些速度不夠快的載流子碰撞到晶格的概率增加。但是，載流子的能量不足以碰撞出新的電子空穴對(duì)，反而可能損失了一部分動(dòng)能。因此，為了進(jìn)一步提高載流子的電離率，需要更大的電場(chǎng)去加速。宏觀上顯示出來(lái)的，就是擊穿電壓變大。

以S14645-05為例。當(dāng)溫度每升高1℃，擊穿電壓升高1.1V。考慮到有些探測(cè)器需要應(yīng)用在野外，溫度變化較大，從而影響探測(cè)器的信號(hào)輸出大小。此時(shí)，通過(guò)參考擊穿電壓溫度系數(shù)，溫度每升高1℃，相應(yīng)的反向偏壓也升高1.1V，讓擊穿電壓和反向偏壓的差值保持不變，從而穩(wěn)定探測(cè)器的增益及信號(hào)輸出大小。

七，Dark current---暗電流

當(dāng)電路中加上了反向電壓（ VR ）時(shí)，會(huì)一直有電流通過(guò)APD，這個(gè)電流甚至在APD不感光時(shí)也依然存在，所以稱之為暗電流。暗電流大小的影響因素有兩個(gè)，一個(gè)是反向電壓，一個(gè)是溫度。

但暗電流本身不是噪聲，暗電流的不確定性才是噪聲。其實(shí)就是來(lái)自暗電流的散粒噪聲。舉個(gè)具體的例子，假設(shè)暗電流為100 pA，實(shí)際的暗電流則是會(huì)在100 pA左右波動(dòng)，這一時(shí)刻可能是97 pA，下一時(shí)刻又變成101 pA，這個(gè)不確定性的絕對(duì)量會(huì)隨著暗電流的變大而變大。所以暗電流越大，APD的噪聲就越大。

APD暗電流來(lái)自氧化膜界面的表面漏電流（ Ids ）和襯底內(nèi)部產(chǎn)生的電流（ Idg ）組成。會(huì)經(jīng)過(guò)雪崩層從而有M倍的增益放大。

增益M=100這個(gè)條件指的是環(huán)境溫度25 ℃，給定一束波長(zhǎng)為900nm的光束，某個(gè)偏壓值測(cè)量的光電流與無(wú)偏壓條件測(cè)量的光電流的比例為100。M=100這個(gè)條件的目的，就是為了確定這個(gè)反向偏壓值，再回到暗環(huán)境，設(shè)置這個(gè)反向電壓值，得到暗電流大小。

八，Temperature coefficient of ID---暗電流溫度系數(shù)

溫度會(huì)影響暗電流的大小，溫度越高，暗電流越大。以S14645-05為例，溫度每升高1℃，暗電流變大為1.1倍。從這個(gè)參數(shù)上也可以看出，暗電流隨溫度的變化是指數(shù)上升的，因此暗電流的溫度系數(shù)的單位是times/℃，而不是A/℃。

九，Cutoff frequency---截止頻率

當(dāng)APD接收到激光二極管等發(fā)射的正弦調(diào)制光波時(shí)，其截止頻率fc定義為APD的輸出（電流或電壓）相比于100%輸出下降3dB時(shí)的頻率。截止頻率（ fc ）與上升時(shí)間（ tr ）的換算公式為：tr（ns）=0.35/fc（GHz）。

以S14645-05為例，測(cè)試條件為，溫度25 ℃，增益為100，負(fù)載電阻為50Ω，光源波長(zhǎng)900nm的條件下，光功率下降一半（-3dB）時(shí)的頻率為600MHz。

截止頻率主要反映的是APD的響應(yīng)速度，即上升沿。這個(gè)從截止頻率（ fc ）與上升時(shí)間（ tr ）的換算公式中就可以看出。

十，Terminal capacitance---終端電容

終端電容（ Ct ）包含了結(jié)電容（ Cj ）和封裝時(shí)所產(chǎn)生的寄生電容（Package stray capacitance），是一個(gè)更加實(shí)用的數(shù)據(jù)。

什么是結(jié)電容（ Cj ）呢？由于耗盡層的存在，APD的PN結(jié)中會(huì)形成一個(gè)等效電容，這個(gè)就是結(jié)電容（ Cj ）。

一般說(shuō)來(lái)，終端電容（ Ct ）越大，APD響應(yīng)速度越慢。電容的作用就是充放電。電容越大，充放電時(shí)間越長(zhǎng)，APD的響應(yīng)速度自然就越慢。因此，終端電容的大小，最終會(huì)影響APD輸出信號(hào)的時(shí)效性。

以S14645-05為例，測(cè)試條件為溫度25 ℃，增益為100，光源調(diào)制頻率為1MHz的條件下，終端電容為1pF。

十一，Excess noise figure---過(guò)剩噪聲指數(shù)

過(guò)剩噪聲指數(shù)用于近似計(jì)算APD的散粒噪聲，進(jìn)一步可以計(jì)算APD的信噪比，等效噪聲功率等。只要反向電壓恒定，APD增益就是每個(gè)載流子倍增的平均數(shù)。但是電離率不均勻，存在統(tǒng)計(jì)浮動(dòng)，由此在倍增過(guò)程中會(huì)引入倍增噪聲，即過(guò)剩噪聲。

對(duì)于電子而言，倍增噪聲系數(shù)（ F，也叫倍增噪聲因子）為：

其中k為空穴的電離率（β）與電子的電離率（α）的比值稱作電離率比（k（=β/α））。對(duì)于空穴則替換為1/k。

過(guò)剩噪聲隨著增益的升高而變大，如下圖所示：

從中可以看出過(guò)剩噪聲系數(shù)和增益相關(guān)，受波長(zhǎng)和APD結(jié)構(gòu)影響，并近似看出過(guò)剩噪聲系數(shù)和增益是指數(shù)關(guān)系，因此，引入過(guò)剩噪聲指數(shù)（X），過(guò)剩噪聲系數(shù)（F）近似表達(dá)為：F=M的X次方。

有了過(guò)剩噪聲系數(shù)，進(jìn)一步就可以計(jì)算APD的散粒噪聲：