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半导体开放世界

雪崩光电二极管

Avalanche Photodiode也称 APD、雪崩光敏二极管

利用高场碰撞电离把初级光电流内部倍增的光电二极管。

进阶出处 2 本教材
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利用高场碰撞电离把初级光电流内部倍增的光电二极管。

系统理解

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光生载流子进入高场区后可能碰撞电离，产生可继续参与倍增的后代。平均增益不是噪声免费的放大：倍增统计起伏、雪崩建立时间和电场饱和共同限制性能。电离率比、注入方向与分离吸收倍增结构用于管理这些代价。

在普通光电二极管与载流子输运之后，比较不同内部增益机制及其速度、噪声代价。

关键参数

关键参数
参数单位含义
平均倍增M—初级电流平均放大程度
电离率比k—电子注入时αp/αn
过剩噪声因子F—倍增统计起伏相对理想无噪声放大的代价

常见误区

  • 提高增益不必然提高信噪比
  • 电子注入不对所有材料都最优
  • 理想公式发散不等于可输出无限电流

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

从光生载流子到倍增

定义

APD把光生载流子送入高场碰撞电离区

雪崩光电二极管在高反偏形成的强电场中，使注入载流子通过碰撞电离产生新的电子—空穴对，从而得到内部电流增益。增益来自电场供能的倍增过程，不是一个光子凭空变出更高能量。12

成立条件 本页讨论可用平均倍增系数描述的APD响应；不把线性倍增模型直接用于需要淬灭的单光子计数工作模式

定义

倍增系数应与未倍增的初级光电流分开

APD的平均倍增系数描述平均倍增后电流相对于初级光电流的放大。计算前必须区分光生产生、初级收集与后续倍增，不能把普通光电二极管的量子效率和APD平均增益合并成同一个无条件常数。12

成立条件 初级光电流和倍增电流按同一工作点定义；暗电流和背景电流须另外区分，不能从总测量电流直接任意相除

机制

电子和空穴的电离率共同决定反馈倍增

电子与空穴都可能在高场内触发电离；两类载流子产生的后代又能继续参与，因此即使平均光生输入相同，电离率比、注入方向和高场分布不同也可产生不同的倍增和噪声。12

成立条件 采用连续介质的电离率描述；电离率依赖材料和电场，不是全站通用常数

理想增益模型与边界

公式

只有电子电离的均匀区给出指数倍增

若电子在均匀高场区中以恒定电离率产生后代，而空穴电离可以忽略，电子注入的平均倍增随电离率与区宽乘积呈指数增长。该极限不包含真实器件的空间电荷和串联电阻限制。12

Mn=exp⁡(αnw)M_n=\exp(\alpha_n w)
Mn = exp(αn w)
Mn
电子注入的平均倍增系数
αn
电子碰撞电离率，单位 m⁻¹
w
均匀倍增区宽度，单位 m

成立条件 纯电子注入；αp = 0；αn沿倍增区恒定；局域电离率模型；低注入，不计增益饱和和边缘击穿

公式

相等电离率模型在αw接近1时失去有限倍增

在电子、空穴电离率相等且沿区内恒定的理想模型中，倍增系数由1−αw的倒数给出；αw趋近1时公式发散，表示理想击穿条件，而不是可任意取得无限输出电流的工作点。12

M=11−αwM=\frac{1}{1-\alpha w}
M = 1/(1 − αw)
M
平均倍增系数
α
共同碰撞电离率，单位 m⁻¹
w
倍增区宽度，单位 m

成立条件 αn = αp = α且沿区内恒定；有限倍增使用0 ≤ αw < 1；忽略串联电阻、空间电荷与高注入

倍增噪声与注入选择

定义

过剩噪声因子测量倍增的统计起伏

即使平均倍增相同，每个初级载流子经历的倍增次数也不相同。过剩噪声因子用倍增的二阶矩除以平均倍增的平方，表征相对于理想无起伏放大器增加的噪声。12

F=⟨M2⟩⟨M⟩2F=\frac{\langle M^2\rangle}{\langle M\rangle^2}
F = ⟨M²⟩/⟨M⟩²
F
过剩噪声因子
M
单次倍增的随机变量
⟨M⟩
平均倍增系数

成立条件 M作为随机倍增变量；平均值与二阶矩在相同注入条件下统计；存在有限的二阶矩，且平均倍增非零

公式

局域电离率模型把噪声与k及平均倍增关联

对纯电子注入、沿倍增区恒定电离率比的局域模型，过剩噪声随平均倍增和空穴相对电子的电离率比共同变化。采用空穴注入时不能保留同一个k定义，应交换两类电离率之比。12

F(M)=kM+(1−k)(2−1M)F(M)=kM+(1-k)\left(2-\frac{1}{M}\right)
F(M) = kM + (1 − k)(2 − 1/M)
F(M)
过剩噪声因子
M
平均倍增系数
k
空穴与电子电离率之比αp/αn

成立条件 纯电子注入；局域电离率模型；k = αp/αn，沿倍增区恒定；M在本式表示平均倍增；薄区非局域死区效应不在本式内

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：某电子注入APD可用局域模型描述，k=0.02、平均倍增M=10。求过剩噪声因子及相对于未倍增散粒噪声的均方放大因子。

已知

  1. k = 0.02；M = 10，均为教学假设
  2. 纯电子注入，k沿倍增区恒定
  3. 比较相同初级电流与带宽，仅比较雪崩散粒噪声项

步骤

  1. 2 − 1/M = 2 − 0.1 = 1.9，先计算局域倍增模型中的倒数项。
  2. F = 0.02×10 + 0.98×1.9 = 2.062 ≈ 2.1，计算过剩噪声因子；保留中间精度。
  3. M²F = 100×2.062 = 206.2 ≈ 2.1×10²，相同初级电流和带宽下，均方散粒噪声相对未倍增项乘以M²F。
结果 F约2.1，均方散粒噪声项约放大2.1×10²倍。

电流信号平均放大10倍，噪声均方并非只放大100倍；过剩噪声不能忽略。

不能外推到 这是教学局域模型，不能用于声称某实物APD或薄倍增区器件具有相同噪声。

机制

低噪声注入应优先利用较易电离的一类载流子

在适用的局域模型中，让电离率较高的载流子启动倍增、同时减小另一类载流子的反馈电离，可降低过剩噪声。最合适的注入种类随材料而变，不能把“电子注入较优”推广到所有APD材料。12

成立条件 按具体材料、场分布与波长选择注入方式；不能用单一硅器件的电离率比替代其他材料参数

工程限制与结构

边界

提高倍增会受到雪崩建立时间的带宽代价

雪崩并非瞬时完成，载流子反馈需要建立和衰减时间；在一定高增益区间内，增加平均倍增会降低可用带宽。增益带宽积近似仅属于指定模型与工作区，不是所有APD的固定常数。1

成立条件 本条讨论雪崩建立时间限制；低增益时可能先受渡越时间限制；实际还受RC寄生限制

边界

电流饱和和暗电流使实际增益偏离理想公式

高光强下的串联电阻压降与空间电荷会改变倍增区有效电场，使实际增益受限；暗电流也会占用电流预算并增加噪声。因此理想倍增公式不能直接外推至大电流工作。1

成立条件 真实器件在高注入或有明显压降时；不同位置产生的暗电流不一定经历相同倍增，需按结构区分

机制

保护环抑制边缘先击穿而不是增加有效信号面积

APD边缘的结曲率与电场集中可能导致提前局部击穿和泄漏；保护环或斜面终端通过重新分配外围电场，让中心有效区域获得更均匀的倍增。1

成立条件 终端需要避免在中心有效区之前击穿；具体保护环参数属于材料、掺杂和版图共同设计的问题

机制

吸收区与倍增区分离可分别选择材料和电场

分离吸收与倍增结构把适合目标波长的吸收区域，与适合低噪声高场倍增的区域分开设计；异质结还必须处理能带势垒，否则光生载流子可能在界面积累而降低速度。1

成立条件 分离吸收与倍增的异质结或场分区设计；必须核查界面能带、输运和电场，不能只按带隙挑材料

出处

2 本教材 · 20 处引用
  1. 1

    Physics of Semiconductor Devices

    S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021

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  2. 2

    The Physics of Semiconductors

    Marius Grundmann

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