雪崩光電二極管

雪崩光電二極管(APD)(又稱累崩光電二極管或崩潰光二極體)是一種半導體光檢測器，其原理類似於光電倍增管。在加上一個較高的反向偏置電壓後（在矽材料中一般為100-200 V），利用電離碰撞（雪崩擊穿）效應，可在APD中獲得一個大約100的內部電流增益。某些矽APD採用了不同於傳統APD的摻雜等技術，允許加上更高的電壓(>1500 V)而不致擊穿，從而可獲得更大的增益(>1000)。一般來說，反向電壓越高，增益就越大。APD倍增因子M的計算公式很多，一個常用的公式為

M={\frac {1}{1-\int _{0}^{L}\alpha (x)\,dx}}

其中L是電子的空間電荷區的長度，而 $\alpha \,$ 是電子和空穴的倍增係數，該係數取決於場強、溫度、摻雜濃度等因素。由於APD的增益與反向偏置和溫度的關係很大，因此有必要對反向偏置電壓進行控制，以保持增益的穩定。雪崩光電二極管的靈敏度高於其它半導體光電二極管。

為獲得更高的增益（10⁵–10⁶），某些APD可以工作在反向電壓超出擊穿電壓的區域。此時，必須對APD的信號電流加以限制並迅速將其清為零，為此可採用各種主動或被動的電流清零技術。這種高增益的工作方式稱為Geiger方式，它特別適用於對單個光子的檢測，只要暗計數率足夠低。

APD主要用於激光測距機和長距離光纖通信，此外也開始被用於正電子斷層攝影和粒子物理等領域 [1]。APD陣列也已被商業化。

APD的用途取決於許多性能指標。主要的幾個性能指標為量子效率（表示APD吸收入射光子並產生原始載流子的效率）和總漏電流（為暗電流、光電流與噪聲之和）。暗電噪聲包括串聯和並聯噪聲，其中串聯噪聲為霰彈噪聲，它大致正比於APD的電容，而並聯噪聲則與APD的體暗電流和表面暗電流的波動有關。此外，還存在用噪聲係數F表示的超額噪聲，它是隨機的APD倍增過程中所固有的統計噪聲。

材料

理論上，在倍增區中可採用任何半導體材料：

矽材料適用於對可見光和近紅外線的檢測，且具有較低的倍增噪聲（超額噪聲）。
鍺(Ge)材料可檢測波長不超過1.7µm的紅外線，但倍增噪聲較大。
InGaAs材料可檢測波長超過1.6µm的紅外線，且倍增噪聲低於鍺材料。它一般用作異構(heterostructure)二極管的倍增區。該材料適用於高速光纖通信，商用產品的速度已達到10Gbit/s或更高。
氮化鎵二極管可用於紫外線的檢測。
HgCdTe二極管可檢測紅外線，波長最高可達14µm，但需要冷卻以降低暗電流。使用該二極管可獲得非常低的超額噪聲。

超額噪聲

如前所述，超額噪聲是由倍增過程產生的噪聲，它與倍增過程的增益M有關，記作F(M)，一般可用下式計算：

F=\kappa M+(2-{\frac {1}{M}})(1-\kappa )

其中 $\kappa \,$ 為空穴與電子的碰撞電離率之比，在電子倍增器件中定義為空穴碰撞電離率除以電子碰撞電離率的比值。一般希望兩個碰撞電離率的差別儘可能大，以減小F(M)，因為F(M)是決定最高能量解像度等性能指標的主要因素之一。

參見

參考文獻

Fully ion-implanted p + -n germanium avalanche photodiodes, S. Kagawa, T. Kaneda, T. Mikawa, Y. Banba, Y. Toyama, and O. Mikami, Applied Physics Letters vol. 38, Iss. 6, pp. 429-431 (1981) doi:10.1063/1.92385
Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure, Hyun, Kyung-Sook; Park, Chan-Yong; Journal of Applied Physics, vol. 81, Iss. 2, pp.974-984 (1997) doi:10.1063/1.364225

外部連結

學術網站

Zener and avalanche diodes
Noise processes （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） - Malvin Teich personal bibliography

商業網站

User's Guide Perkin-Elmer Corporation
Judson Germanium APD
Characteristics and use of Si APD (Avalanche Photodiode) Hamamatsu Photonics
Recent Progress of Photosensor Hamamatsu Photonics