半導(dǎo)體雪�光電二極� (semiconductor avalanche photodiode )是具有內(nèi)部光電流增益的半�(dǎo)體光電子器件,又稱固�(tài)光電倍增管。它�(yīng)用光生載流子�二極�耗盡層內(nèi)的碰撞電離效�(yīng)而獲得光電流的雪崩倍增。這種器件具有小型、靈�、快速等�(yōu)�,適用于以微弱光信號的探測和接收,在光纖通信、激光測距和其他光電�(zhuǎn)換數(shù)�(jù)處理等系�(tǒng)中應(yīng)用較廣�
�(dāng)一個半�(dǎo)體二極管加上足夠高的反向偏壓�,在耗盡層內(nèi)�(yùn)動的載流子就可能因碰撞電離效�(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)�(gòu)時發(fā)�(xiàn)了這種�(xiàn)�。當(dāng)載流子的雪崩增益非常高時,二極管�(jìn)入雪崩擊穿狀�(tài);在此以前,只要耗盡層中的電場足以引起碰撞電�,則通過耗盡層的載流子就會具有某個平均的雪崩倍增��
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�(nèi)部的光電流增��1953�,K.G.麥克凱和K.B.麥卡菲報道鍺和硅的PN�(jié)在接近擊穿時的光電流倍增�(xiàn)��1955�,S.L.密勒指出在突變PN�(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�(jīng)驗公式表�
M=1/[1-(V/VB)n]
式中VB是體擊穿電壓,n是一個與材料性質(zhì)及注入載流子的類型有�(guān)的指�(shù)。當(dāng)外加偏壓非常接近于體擊穿電壓�,二極管獲得很高的光電流增益。PN�(jié)在任何小的局部區(qū)域的提前擊穿都會使二極管的使用受到限�,因而只有當(dāng)一個實際的器件在整個PN�(jié)面上是高度均勻時,才能獲得高的有用的平均光電流增�。因�,從工作狀�(tài)來說,雪崩光電二極管實際上是工作于接近(但沒有達(dá)到)雪崩擊穿狀�(tài)�、高度均勻的半導(dǎo)體光電二極管�
與真空光電倍增管相�,雪崩光電二極管具有小型、不需要高壓電源等�(yōu)�,因而更適于實際�(yīng)�;與一般的半導(dǎo)體光電二極管相比,雪崩光電二極管具有靈敏度高、速度快等�(yōu)�,特別當(dāng)系統(tǒng)帶寬比較大時,能使系�(tǒng)的探測性能獲得大的改善�
載流子在耗盡層中獲得的雪崩增益越�,雪崩倍增過程所需的時間越長。因�,雪崩倍增過程要受到“增�-帶寬積”的限制。在高雪崩增益情況下,這種限制可能成為影響雪崩光電二極管響�(yīng)速度的主要因素之一。但在適中的增益�,與其他影響光電二極管響�(yīng)速度的因素相�,這種限制往往不起主要作用,因而雪崩光電二極管仍然能獲得很高的響應(yīng)速度?,F(xiàn)代雪崩光電二極管增益-帶寬積已�(dá)幾百吉赫�
與一般的半導(dǎo)體光電二極管一�,雪崩光電二極管的光譜靈敏范圍主要取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。制備雪崩光電二極管的材料有�、鍺、砷化鎵和磷化銦等Ⅲ-Ⅴ族化合物及其三�、四元固熔體。根�(jù)形成耗盡層方法的不同,雪崩光電二極管有PN�(jié)�(同質(zhì)的或異質(zhì)�(jié)�(gòu)的PN�(jié)。其中又有一般的PN�(jié)、PIN�(jié)及諸� N+PπP+�(jié)等特殊的�(jié)�(gòu))、金屬半�(dǎo)體肖特基勢壘型和金屬-氧化�-半導(dǎo)體結(jié)�(gòu)等�
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