雪崩光电二极管工作原理和应用特点
雪崩光电二极管(APD)由日本工程师“Jun-ichi Nishizawa”于1952年设计。雪崩光电二极管是一种响应速度非常快的半导体探测器,它利用光电效应将光变为电。2020年,研究发现在雪崩光电二极管中添加石墨烯层,可以减少这些二极管的退化。
另外,在光纤通信系统中,使用雪崩光电二极管等单个组件将光转换为电信号。在雪崩过程中,电荷载体是通过碰撞产生的。光粒子状光子产生许多电子以产生电流。
基本符号和结构
与其他二极管不同的是,雪崩光电二极管是使用雪崩方法提供额外性能的二极管,这些二极管用于将信号从光变为电。雪崩光电二极管可以在高反向偏压下工作,其符号类似于齐纳二极管:
雪崩光电二极管的结构和PIN光电二极管比较相似。雪崩光电二极管包括两个重掺杂区和两个轻掺杂区。其中重掺杂区域是P+和N+,而轻掺杂区域是I和P。
在本征区,与PIN光电二极管相比,该二极管的耗尽层宽度相当薄。其中,P+区域像阳极一样工作,而N+区域作为阴极。
与其他光电二极管相比,雪崩光电二极管工作在高反向偏置条件下。因此,这允许通过光冲击或光子形成的电荷载体的雪崩倍增。雪崩作用允许光电二极管的增益提高数倍,以提供高灵敏度范围。
工作原理
雪崩击穿主要发生在光电二极管承受最大反向电压时。该电压增强了耗尽层之外的电场。当入射光穿透P+区域时,它会在电阻极高的P区域内被吸收,然后产生电子-空穴对。
电荷载流子漂移包括它们的饱和速度到存在高电场的PN+区域。当速度最高时,电荷载流子将穿过其他原子并产生新的电子-空穴对。巨大的电荷载流子对将产生高光电流。
其实,雪崩光电二极管操作可以完全在耗尽模式下完成。但是,除了线性雪崩模式外,它们还可以在盖革模式下工作。在这种类型的操作模式下,光电二极管可以在上述击穿电压下操作。目前还推出了另一种模式,即“亚盖革模式”。
光纤通信中的雪崩光电二极管
在光纤通信 (OFC) 系统中,雪崩光电二极管通常用于识别微弱信号,但电路需要进行足够优化以达到高信噪比 (S/N)。SNR是:
S/N = 来自光电流/光电探测器的功率 + 放大器噪声功率
为了获得完美的信噪比,量子效率应该很高,因为这个值几乎是最大值,所以大部分信号都被注意到。
Pin光电二极管和雪崩光电二极管的区别
Pin光电二极管和雪崩光电二极管之间的区别包括以下几点内容:
雪崩光电二极管 | PIN光电二极管 |
包括四层,如P+、I、P和N+。 | 包括P+、P、I和N+四层。 |
响应时间非常长 | 响应时间非常短 |
输出电流低 | 载波电流的倍增会导致放大器电流值 |
内部增益200dB | 内部收益较低 |
灵敏度很高 | 灵敏度低 |
高噪音 | 低噪声 |
反向偏置电压非常高 | 反向偏置电压非常低 |
高温稳定性 | 低温稳定性 |
由于可用增益,放大器不是必需的 |
由于没有可用的增益,放大器是强制性的 |
主要优缺点
雪崩光电二极管的优点包括以下几点内容:
- 灵敏度范围高
- 高性能
- 快速响应时间
- 检测低强度光。
- 一个单光子会产生大量的电荷载流子对
雪崩光电二极管的缺点包括以下几点内容:
- 所需工作电压高
- 输出不是线性的
- 高噪音
- 由于可靠性低,不经常使用
- 使用高反向偏压进行正常操作
主要应用
雪崩光电二极管的应用主要包括在以下几个方面:
- 激光扫描仪
- 天线分析桥
- PET扫描仪
- 条码读取器
- 激光显微镜
- 激光测距仪
- 测速枪
- 用于OFC(光纤通信)接收器、成像、测距、激光显微镜、激光扫描仪和 OTDR(光时域反射计)
- 用于光通信,如接收检测器
总结
以上就是关于于雪崩光电二极管的基础内容介绍,它是一个工作在反向击穿区的两端PN结二极管。与PIN光电二极管相比,这些光电二极管具有高SNR(信噪比)、快速响应、高灵敏度和更少的暗电流等优势特点。
由于雪崩光电二极管是高灵敏度、基于高速的二极管,它使用通过施加反向电压工作的内部增益方法。与PIN型光电二极管相比,这些二极管测量低范围光,因此可用于需要高灵敏度的不同应用,例如光距离测量和长距离光通信。