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* （1）均方热噪声电流 式中，k=1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。 因此， 光电二极管的总均方噪声电流为 〈i2〉=2e(IP+Id)B+ (3.24) (3.23) 〈i2T〉= * 3.2.3 雪崩光电二极管(APD) 光电二极管输出电流 I和反偏压U的关系示于图3.24。 随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。 当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。 APD就是根据这种特性设计的器件。 根据光电效应，当光入射到PN结时， 光子被吸收而产生电子 - 空穴对。 * 图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 * 如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。 高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子 - 空穴对。 新产生的二次电子再次和原子碰撞。 如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。 所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。 * 图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子） * * 图3.26 APD结构图 图3.26示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。 * APD的响应度比PIN增加了g倍。 U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。 当U≈UB时，RIo/UB1，上式可简化为 (3.25) (3.26) (3.27) 对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数 1.倍增因子 倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。 * 2. 过剩噪声因子 APD的均方量子噪声电流为 〈i2q〉=2eIPBg2 (3.26a) 引入新的噪声成分， 并表示为附加噪声因子F。 F(1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为 〈i2q〉=2eIPBg2+x (3.26b) 式中， x为附加噪声指数。 同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为 〈 i2d〉=2eIdBg2+x (3.27) 附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0.5~0.7。 当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。 * 3.2.4 光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性能。 APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。 灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。 * -5~-15 -5~-15 工作电压 /V 1~2 0.5~1 结电容 Cj/pF 0.2~1 2~10 响应时间 2~5 0.1~1 暗电流 Id/nA 0.6(1.3 ) 0.4(0.85 ) 响应度 1.0~1.6 0.4~1.0 波长响应 InGaAs-PIN Si-PIN 表3.3 PIN光电二极管一般特性 * 0.5~0.7 0.3~0.4 附加噪声指数 x 20~30 30~100 倍增因子 g 40~60 50~100 工作电压 /V 0.5 1~2 结电容 Cj/pF 0.1~0.3 0.2~0.5 响应时间 10~20 0.1~1 暗电流 Id/nA 05~0.7 0.5 响应度 1~1.65 0.4~1.0 波长响应 InGaAs-APD Si-APD 表3.4 雪崩光电二极管（APD）一般性能 * * 5 * * * 光在器件表面即被吸收，大量的载流子在耗尽层的边缘产生(此处电场也不强)，极易发生复合，不易被电极收集成为光生电流 * 使光生载流子在耗尽区或非常接近耗尽区的地方产生 * 3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作