拉通型APD增益因子计算模型与验证

焦晓光， 王永志

(激光探测技术研发中心， 上海 200090)

拉通型APD增益因子计算模型与验证

焦晓光， 王永志

(激光探测技术研发中心， 上海 200090)

根据APD增益因子经验公式和拉通型APD的结构特点，提出了一种新的适用于拉通型APD的增益因子计算模型，并进行了实验验证。实验表明，在偏置电压从0到接近击穿电压的全范围内，应用该计算模型对拉通型APD增益因子的估算是准确的。

增益因子； 击穿电压； 偏置电压

0 引言

拉通型APD(雪崩光电二极管)具有较高的灵敏度、较宽的动态范围和较好的温度特性，在主动、半主动激光导引头[1]、远距离激光雷达和激光通信等领域广泛使用[2-3]。

APD是一种内光电效应器件，并且具有内增益特性，1个光子可以产生10～100对电子空穴对，在其内部即可获得较大的增益。APD工作在反向偏压下，当反向偏压越高，结区的电场强度越高，电子空穴对被电场加速，获得动能，与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的电子空穴对，新的电子空穴对在电场的作用下再次被加速，与晶格碰撞产生更多的电子空穴对，形成“雪崩”倍增。

典型APD的反向偏压越接近击穿电压，增益迅速增大。而拉通型APD的增益随着反向偏压增大有明显的分段特征。

目前，本文从拉通型APD的半导体结构出发，分析了反向偏压对APD增益的影响，提出了增益因子计算模型，并开展了试验验证。

1 拉通型APD工作原理

1.1 拉通型APD结构

拉通型APD主要包括吸收层、过渡层、倍增层和接触层等四层基本结构[4]，如图1所示。为了提升APD的带宽和噪声性能，在基本结构的基础上会增加缓冲层、电荷层等匹配层，这些匹配层对APD的增益影响不大，本文中暂不考虑这些匹配层的影响。

图1中，分四个区域：吸收层为P型重掺杂区，记为P+，厚度较薄，其主要功能是实现吸收光子，产生光生电子空穴对；过渡层接近本征半导体的P型弱掺杂区，记为P(π)，厚度较厚，其主要功能是进一步吸收光子，产生光生电子空穴对，同时加速电子；倍增层为P型轻掺杂区，记为P，厚度较薄，主要功能实现电子倍增；接触层为N型重掺杂区，记为N+，厚度较薄，主要功能与P区形成P-N+结，为电子倍增提供高电场。

1.2 工作过程

拉通型APD工作在反向偏压下，如图1所示。电子的移动主要由电场决定，工作反向偏压下拉通型APD的电场分布如图2所示[4]。

其工作过程：光子入射到吸收层上，把电子从价带激发到导带，形成光生电子空穴对，在电场作用下，电子加速，在P-N+结区与晶格碰撞，产生二次电离电子空穴对，P-N+结区的电场强度较高，新产生的电子空穴对再次与晶格碰撞，不断循环，形成“雪崩”倍增。

随着反向偏压越来越高，接近P-N+结的击穿电压，P-N+结区雪崩倍增发生，APD的增益迅速增大；同时耗尽区越来越宽，在P-N+结被击穿之前，P及P(π)区被完全耗尽，即P区被拉通。之后随着反向偏压升高，APD增益开始缓慢增大，直到反向偏压接近标称的APD击穿电压时，APD的增益迅速增大。

典型的拉通型APD增益曲线如图3所示，M代表APD的内增益，具有明显的分段特性。

2 拉通型APD增益因子计算模型

2.1 APD增益因子经验公式

APD的内增益是由雪崩增益决定的，而雪崩过程主要是电离碰撞过程，可通过计算电离积分来获得，其增益满足[5]：

(1)

式中：M为APD的增益；WD为耗尽区宽度；αn为N区的电离率；αp为P区的电离率；x为位置。

其中，耗尽区宽度和电离率主要与反向偏压、材料掺杂情况有关。仅考虑倍增区时，N区电离率与P区电离率接近时，增益因子简化为

(2)

式中：α为电离率。

式(2)中，αWD与反向偏压和击穿电压的比值有关，满足经验公式αWD=(U/UBR)n。因此，APD增益因子的经验公式为[6]

(3)

式中：U为反向偏压；UBR为击穿电压；n为结构指数，主要与材料和掺杂有关。

2.2 拉通型APD增益因子计算模型

2.2.1 拉通前后电场分析

拉通型APD之所以呈现分段特征，是由于拉通前后的电场分布有明显区别。

在P区尚未耗尽之前(拉通前)，P-N+结的电阻远远大于P区；随着反向偏压增大，P-N+结的电场不断增强，P区电场可忽略不计。电场分布如图4所示。

在P区完全耗尽后(拉通后)，N+区也接近耗尽，P-N+结的电场强度已接近极限，此时反向偏压的增加主要使P区电场增加，P-N+结的电场增加量极少。电场分布如图5所示。

2.2.2 拉通型APD增益因子计算公式

根据拉通前的电场分布，拉通型APD的增益因子与式(3)相同，即

(4)

式中：MRAPD为增益因子；URAPD为反向偏压；UBR′为P-N+结的击穿电压；Urth为拉通电压。

根据拉通后的电场分布，拉通之后，增加的方向偏压主要用于增强耗尽区的电场，结区的电场增加极小。假设结区增加的电势与耗尽区增加的电势之比为K，考虑APD的增益主要由结区电场决定，仍与式(3)类似，则拉通后的增益因子满足：

(5)

式中：K为拉通后结区电势增加量与耗尽区电势增加量之比。

式(4)和式(5)即为拉通型APD的增益因子计算公式。

3 试验验证

3.1 拉通型APD增益曲线测试

选取First Sensor公司型号为QA4000和AD1100-9的两款拉通型APD作为测试对象，其中QA4000为四象限探测器，是1 064 nm增强型，AD1100-9为单象限探测器，是905 nm增强型。

使用衰减片和光阑获得极弱的入射光，采用高压模块为APD提供反向偏压，采用nA级电流表监测APD输出的光电流。不断调整反向偏压，记录电流表的读数。

APD的增益因子定义为输出光电流与输入光电流之比，当反向偏压为0时的光电流即为输入光电流,即

(6)

式中：MI为增益因子；IU为反向偏压下输出的光电流；I0为输入光电流。

根据式(6)即可获得增益曲线(M-U)。

3.2 结果分析

QA4000的M增益曲线测试结果与M增益计算结果(根据式(4)和式(5)，选取三点对三个参数进行求解得到Urth=46，K=0.002 25，n=7)，如图6所示。

AD1100-9 M增益曲线测试结果与M增益计算结果(与QA4000参数计算方式相同)，如图7所示。

4 总结

本文提出的拉通型APD增益因子计算模型

能够覆盖反向偏压工作的全范围，且与实测数据符合度较高。利用这一计算模型，可以有效简化拉通型APD增益因子的测试，同时也可为拓展拉通型APD反向偏压控制范围和优化控制范围提供理论指导。

[1] 李建中,彭其先,李泽仁,等. 弹载激光主动成像制导技术发展现状分析[J].红外与激光工程, 2014,(4)：1117-1123.

[2] 周国清,周详,张烈平,等. 雪崩光电二极管线阵激光雷达多路飞行时间并行测量系统研究[J]. 科学技术与工程, 2014,(22)：62-67.

[3] 王平,耿天文,伞金刚,等. 基于APD的高灵敏度大气激光通信接收机系统设计[J]. 光通信技术, 2015,(12)：51-54.

[4] Cortés I, Fernández-Martínez P, Flores D, et al. Gain Estimation of RT-APD Devices by Means of TCAD Numerical Simulations[C]. Proceedings of the 8th Spanish Conference on Electron Devices, CDE′, 2011:56-59.

[5] Campbell J C， Demiguel S， Ma F, et al. Recent Adcances in Avalanche Photodiodes[J]. IEEE J.Selected Topics Quan.Elect., 2004,(10):777-781.

[6] Melchior H, Lynch W T. Signal and Noise Response of High Speed Germanium Avalanche Photodiodes[J]. IEEE Trans.Electron Dev.,1966,(13):829-831.

Experimental Model and Verification of a Gain Factor for Reach-through APD

JIAOXiao-guang,WANGYong-zhi

(Laser R&D Center of Detection Technology, Shanghai 200090, China)

A novel calculation model of gain factor for reach-through APD is proposed based on the empirical formula of APD gain factor and the structure of reach-through APD. Experimental verification is carried out. By progressively changing the bias voltage from zero to near-breakdown voltage, the model is experimentally demonstrated to be applicative for gain factor estimation of reach-through APD in the range.

gain factor; breakdown voltage; bias voltage

1671-0576(2017)01-0033-04

2016-09-30

焦晓光(1985-)，男，工程师，硕士，主要从事激光雷达及光电探测器方面研究；王永志(1987-)，男，工程师，博士，主要从事激光雷达及非线性光学等方面研究。

O437.1； TN929.1

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