以光电二极管PD切入详解雪崩二极管APD的增益

2026/02/11

　　在晶体硅中进行掺杂，形成P型和N型半导体，两者结合形成PN结。由于N区和P区之间的多数载流子浓度梯度较大，即电子从N区扩散，空穴从P区扩散至对侧并复合。复合过程会耗尽结两侧相邻区域的多数载流子，形成所谓耗尽层。这就是PD的内部结构。如下图所示：

　　硅光电二极管(Si PD)是最基础的硅光电探测器，深入理解其工作特性有助于理解雪崩光电二极管(APD)。

　　由于耗尽层外缺乏电场，载流子需依靠扩散和布朗随机行走到达耗尽层，之后才能在电场作用下快速漂移穿过PN结并被收集。

　　增加反偏电压，耗尽层深度增加，同时也会导致更多热生载流子被收集，那么暗电流也会增加。类似于平行板电容器，通过增加反偏电压，增加耗尽层深度会减小PN结的结电容，从而提高光电二极管的频率带宽。为进一步改善PN型光电二极管的频率响应和带宽，可在P区和N区之间引入本征硅区域，形成PIN型光电二极管。该本征区域可降低单位面积电容，从而提高截止频率和带宽。

　　内部电场形成过程中，由于载流子的漂移运动和扩散运动逐渐在强度上形成平衡，载流子的净迁移停止。此时，如果通过外部能量源(如光子或热能)在耗尽层两侧产生过剩载流子，则可能打破这种平衡，引发结两侧的净电流。

　　这种外部能量可以是热激发，产生电子空穴对，并分别向两端移动，即产生所谓的暗电流。也可以是光子，即产生光电流。通常用光电流来表征光强，光电流从阳极流出，大小和光强成正比。

　　光电二极管没有内部载流子倍增或增益机制。这些光电二极管的增益为 1，因此适合检测相对强的光信号。雪崩光电二极管(APD)具有内部增益机制，适用于检测低光信号水平。

　　雪崩光电二极管APD全称：Avalanche Photo Diode，它具有高速、高灵敏度特性。常用于光纤通讯、激光测距、光谱测量、医学影像诊断、环境监测等方面。滨松提供各类封装(金属、陶瓷、表面贴装)，单点/阵列，以及模块产品。

　　APD雪崩增益带来的最大优势，在于它能将原始光信号的幅值(相对于其自身的噪声)提升到足以压倒后续读出电路噪声的水平，从而显著改善系统的信噪比。

　　除了加深耗尽层外，增加PN结两端的反向偏置电压还会增强耗尽层中的电场。载流子在电场的作用下，速度会增加。这些载流子撞击晶格时可能使其电离，这种碰撞电离效应构成载流子倍增现象，使漂移的载流子数量迅速增加，类似雪崩过程。原始光生载流子数量与最终收集的电荷信号之间的载流子数量之比，即为雪崩过程的增益。

　　APD增益会随温度升高而降低。其物理机制是：在高温下，晶格的热振动(声子振动)增强，这就导致被电场加速的载流子与晶格发生碰撞的概率增加。这些碰撞会使载流子损失动能，当能量不足以碰撞电离出新的电子-空穴对时，雪崩倍增效应就会被抑制，新生的载流子数量减少，最终造成增益的下降。其变化趋势如下图所示：

　　因此，如果需要让APD的增益在工作过程中保持相对稳定，就必须对施加的反偏电压进行温度补偿。温度补偿的具体逻辑是：将温度传感器放置在APD旁边实时监测其结温。当监测到温度上升了1℃时，便根据该型号APD产品手册中提供的击穿电压温度系数，相应地将反偏电压提升一个对应的电压值，以抵消温度升高带来的增益下降。

　　量子效率受光波长影响，这个是比较好理解的。此外，APD的增益也会受到波长影响，这个现象是比较有意思的。要理解这一点，需注意APD有两种可选的制造结构：N-on-P(近红外型)和P-on-N(短波长型)。

　　其原理在于：由于长波(如近红外光)的穿透力更强，往往在器件的更深区域激发产生光生载流子。同时，对硅材料而言，电子的电离率比空穴更高。在N-on-P结构中，由长波光子在深处激发的电子需要穿越更长的雪崩倍增区，从而经历更多的碰撞电离机会，因此，N-on-P结构在长波长响应方面具有更高的增益。类似的，P-on-N结构则在短波长响应方面具有更高的增益。如下图所示，该图清晰地展示了短波型和近红外型APD的灵敏度(即增益)随波长的变化趋势。