雪崩光电二极管APD原理与应用，LASERCOMPONENTS硅基/锗基/InGaAs雪崩光电二极管

光电二极管是基础光电器件，能将入射光信号直接转换为电流信号，其核心是工作在零偏压或反向偏置下的PN结。而雪崩光电二极管(APD)是其高性能版本，利用内部雪崩倍增效应放大光信号，适用于低光检测、高带宽应用如激光雷达（LIDAR）、高速数据通信和单光子计数。APD工作波长范围广泛，覆盖300nm至1700nm光谱，材料包括硅（Si）、锗（Ge）和铟镓砷（InGaAs），其中硅APD在近红外（905nm）增益可达1000倍，InGaAs APD在1550nm波段具有低噪声和高带宽优势。

什么是光电二极管：

光电二极管是一种由P型半导体与N型半导体组成的PN结构器件。与普通二极管一样，光电二极管同样具备反向偏压下高电阻特性，与之不同的是光电二极管具备更大的PN结面积，用于更好的吸收光。在反向偏压时，当具有足够能量的光子照射到PN结时，它会生成一个电子-空穴对，此时受到PN结内建电场的影响，电子会穿过耗尽区后在外置电场作用下向N极移动。空穴向P极移动，电子向N极移动，从而产生光电流。

什么是雪崩击穿：

在二极管反向偏压下，PN结变宽，此时内建电场强度增加。雪崩光电二极管原理为当电场强度达到一定临界值时，在PN二极管两极的少数载流子会在穿过耗尽区时候被增强的电场加速。这些载流子获得的高动能足以在PN结中通过碰撞击落受束缚的电子，生成新的电子-空穴对。新生成的载流子又被加速并重复这一过程，导致二极管载流子数量呈指数级增长，载流子数量的暴增，直接表现为反向电流急剧、突然地增大，这就是APD原理特性曲线上看到的、在反向击穿电压UBR处电流垂直上升的现象。

图片中的示意图通过电压-电流曲线直观展示了二极管在正向和反向偏压下的行为：导通电压UON表示二极管正向导通所需的阈值电压，超过后电流迅速增加；反向饱和电流Is是反向偏压下未击穿时由少数载流子形成的微小稳定电流；而反向击穿电压U_BR则是雪崩击穿的临界点，当反向电压达到此值时，内建电场强度足以使载流子碰撞产生连锁倍增效应，导致反向电流指数级剧增，从而完成对雪崩击穿原理的量化描述。

什么是雪崩光电二极管：

与其他光电二极管相比，铟镓砷二极管适合在高反向偏置条件下工作。通过光子撞击或光子形成的电荷载流子使雪崩倍增。雪崩作用可使光电二极管的增益提高数倍，以提供高灵敏度范围。在传统光电二极管中，当反向偏置过大形成雪崩击穿时候会损坏二极管，会在正常使用的时候避免超过此电压。而 APD 允许一定条件下的反向击穿，利用雪崩效应实现电的放大。在 APD 中，被光释放的电荷载流子在电场中被加速，通过碰撞电离产生更多的电子-空穴对。如果反向偏置电压低于击穿电压，则由于摩擦损耗，雪崩效应会逐渐消失。此时，单个光子已产生数百甚至数千个电子。当电压高于击穿电压时，电荷载流子的加速度足以维持雪崩效应。单个光子即可产生可由外部电子设备测量的恒定电流。

产生的电流计算公式如下：

I=R0⋅M⋅Ps

其中，R0(A/W) 表示铟镓砷二极管的光谱响应度，M 表示内部增益，Ps(Walt) 表示入射光功率。

APD 的增益因此取决于所施加的反向偏置电压。

当D=500μm时，硅APD的典型增益与工作电压关系曲线

UBR大致位于180V偏压左右，在偏压大约小于50V的区域增益M为1，此区域定义为线性区，是APD作为普通光电二极管工作的模式，不利用雪崩效应。在偏压大于M为1区域略低于UBR的区域（60~160V）即雪崩倍增区。在雪崩倍增区中M可控，可通过微调偏置电压控制增益M变化几个数量级，为极微弱的光信号提供稳定、可控且巨大的内部电增益，实现高灵敏度的光电探测。当偏压超过约160V时，倍增因子呈现近乎垂直的指数级增长，表明此时雪崩过程已不可控，进入击穿状态，被称为盖革模式，常用于如单光子计数等应用。线性区用于精确度量，雪崩倍增区用于放大弱信号，盖革区用于探测极小信号事件的存在。

如何选择合适的光电二极管：

APD通常被推荐用于带宽要求极高的应用，或需要利用内部增益来克服次级放大器噪声的场合。在选择时，必须考虑以下因素：

光谱工作范围：APD的工作波长范围覆盖300nm至1700nm。硅基APD（具体取决于其结构）适用于300nm至1100nm，锗基APD适用于800nm至1600nm，而铟镓砷（InGaAs）APD则适用于900nm至1700nm。

硅材料提供了最广泛的APD产品系列。根据制造工艺的不同，可以实现多种参数，以满足不同应用的需求。

与锗基APD相比，铟镓砷（InGaAs）APD具有显著更低的噪声特性、相对于有效面积更高的带宽，并且因其光谱响应范围扩展至1700nm而更具优势。其不足之处在于，InGaAs APD比锗基APD更昂贵。因此，锗基APD主要推荐用于成本敏感型应用，或处于电磁干扰环境中且次级放大器噪声显著较高的系统。以下为LASERCOMPONENTS主要三种硅基APD参数。

此表格对比了三种主要硅基APD的结构与性能参数，其中"k"值表示影响噪声特性的电离系数比，值越小通常噪声性能越好。

探测器面积： 显然，小面积铟镓砷二极管（APD）比大面积探测器更具经济性，因为每片晶圆可以生产更多的芯片。因此，首先应确定实现光学结构所需的最小有效表面尺寸。有时，使用稍大面积的APD可能更为有利，因为专门用于聚焦到微小光斑的光学元件，其成本可能高于选择更大面积APD所带来的额外费用。

带宽与噪声： 比较APD与PIN二极管的效率时，仅比较探测器的噪声是不够的。 整个系统的信噪比至关重要。对于PIN二极管，还必须始终考虑其配套的前置放大器。其噪声特性（除其他因素外）与频率相关。当APD能够显著提升信号电平，而不会显著增加整个系统的噪声时，APD就优于PIN二极管。因此，在需要检测中频或高频弱光信号时，通常优先选用APD。最佳内部增益的选择，是使探测器噪声约等于次级放大器（或负载电阻）的输入噪声，从而确保APD不会影响系统噪声。无论是PIN二极管还是APD，噪声都随着系统带宽的增加而增加。因此，在可行范围内尽量降低带宽至关重要。

APD应用：

如前所述，LASERCOMPONENTS雪崩光电二极管（APD）在所有需要探测中频或高频微弱光信号的场合都有应用。其中最常见的应用包括：

激光测距仪： APD最主要的应用领域是测距，包括自由空间测距（激光雷达，LIDAR）和光纤测距（光时域反射仪，OTDR）。 在自由空间测距系统中，根据测量原理、测量距离和分辨率的不同，发射端可以使用连续波激光二极管、脉冲激光二极管或固态激光器。在可见光谱范围内、高度可调制的连续波激光二极管，结合针对红光优化的硅基雪崩光电二极管（Si APD），可以实现精度在毫米级、距离超过一百米的测量。与针对近红外范围优化的Si APD配合，基于脉冲飞行时间原理，使用905nm的脉冲激光二极管，可以测量数千米远的距离。而LASERCOMPONENTS铟镓砷二极管（InGaAs APD）可以在超过10km的距离上探测到人眼安全的、来自1550nm脉冲激光二极管的纳秒级脉冲。 OTDR使用波长为1300或1550nm的耦合激光二极管，因此需要InGaAs APD。

高速接收器： 在自由空间和光纤数据传输中，APD因其在增益高达100时仍能实现300皮秒的上升/下降时间，而成为高速接收器中的首选元件。小面积、低噪声的InGaAs APD是构建高灵敏度接收器的关键组件，能够在12.5 Gb/s的速率下实现数十至上百千米的数据传输。

单光子计数： 经过特殊筛选的Si APD也可以在"盖革模式"下用作光子计数器，此时单个光电子可引发约10^8个载流子的雪崩脉冲。这类APD可用于生物发光、荧光光谱学和天文学等领域。光电倍增管在这些类型的应用中也广泛使用。APD的决定性优势在于其小巧紧凑的设计、从400nm到近红外的宽测量范围，以及高达70%的无与伦比的探测效率。