工作原理
當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體二極管加上足夠高的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子就可能因碰撞電離效應(yīng)而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導(dǎo)體二極管的反向擊穿機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。當(dāng)載流子的雪崩增益非常高時(shí)，二極管進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)；在此以前，只要耗盡層中的電場足以引起碰撞電離，則通過耗盡層的載流子就會(huì)具有某個(gè)平均的雪崩倍增值。
 
 
碰撞電離效應(yīng)也可以引起光生載流子的雪崩倍增，從而使半導(dǎo)體光電二極管具有內(nèi)部的光電流增益。1953年，K.G.麥克凱和K.B.麥卡菲報(bào)道鍺和硅的PN結(jié)在接近擊穿時(shí)的光電流倍增現(xiàn)象。1955年，S.L.密勒指出在突變PN結(jié)中，載流子的倍增因子M隨反向偏壓V的變化可以近似用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示：
 
M=1/[1-(V/VB)n]
 
式中VB是體擊穿電壓,n是一個(gè)與材料性質(zhì)及注入載流子的類型有關(guān)的指數(shù)。當(dāng)外加偏壓非常接近于體擊穿電壓時(shí)，二極管獲得很高的光電流增益。PN結(jié)在任何小的局部區(qū)域的提前擊穿都會(huì)使二極管的使用受到限制，因而只有當(dāng)一個(gè)實(shí)際的器件在整個(gè)PN結(jié)面上是高度均勻時(shí)，才能獲得高的有用的平均光電流增益。因此，從工作狀態(tài)來說，雪崩光電二極管實(shí)際上是工作于接近（但沒有達(dá)到）雪崩擊穿狀態(tài)的、高度均勻的半導(dǎo)體光電二極管。
 
雪崩二極管的發(fā)展
1965年，K.M.約翰遜及L.K.安德森等分別報(bào)道了在微波頻率下仍然具有相當(dāng)高光電流增益的、均勻擊穿的半導(dǎo)體雪崩光電二極管。從此，雪崩光電二極管作為一種新型、高速、靈敏的固態(tài)光電探測器件漸漸受到重視。
 
性能良好的雪崩光電二極管的光電流平均增益嚔可以達(dá)到幾十、幾百倍甚至更大。半導(dǎo)體中兩種載流子的碰撞離化能力可能不同，因而使具有較高離化能力的載流子注入到耗盡區(qū)有利于在相同的電場條件下獲得較高的雪崩倍增。但是，光電流的這種雪崩倍增并不是絕對理想的。一方面，由于嚔隨注入光強(qiáng)的增加而下降，使雪崩光電二極管的線性范圍受到一定的限制，另一方面更重要的是，由于載流子的碰撞電離是一種隨機(jī)的過程，亦即每一個(gè)別的載流子在耗盡層內(nèi)所獲得的雪崩增益可以有很廣泛的幾率分布,因而倍增后的光電流I比倍增前的光電流I0有更大的隨機(jī)起伏，即光電流中的噪聲有附加的增加。與真空光電倍增管相比，由于半導(dǎo)體中兩種載流子都具有離化能力，使得這種起伏更為嚴(yán)重。
 
式中q為電子電荷,B為器件工作帶寬，F(xiàn)(嚔)表示雪崩倍增過程所引起噪聲的增加，稱為過剩噪聲因子。一般情況下,F隨嚔的變化情況相當(dāng)復(fù)雜。有時(shí)為簡單起見，近似地將F表示為F=嚔x,x稱為過剩噪聲指數(shù)。F或x是雪崩光電二極管的重要參數(shù)。
 

由于F大于1，并隨嚔的增加而增加，因而只有當(dāng)一個(gè)接收系統(tǒng)（包括探測器件即雪崩光電二極管、負(fù)載電阻和前置放大器）的噪聲主要由負(fù)載電阻及放大器的熱噪聲所決定時(shí)，提高雪崩增益嚔可以有效地提高系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)的探測性能獲得改善；相反，當(dāng)系統(tǒng)的噪聲主要由光電流的噪聲決定時(shí)，增加嚔就不再能使系統(tǒng)的性能改善。這里起主要作用的是過剩噪聲因子F的大小。為獲得較小的F值，應(yīng)采用兩種載流子離化能力相差大的材料，使具有較高離化能力的載流子注入到耗盡層，并合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)。

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