雪崩光电二极管(APD)偏置电源及其电流监测

实验22 APD光电二极管特性测试一、实验目的1、掌握APD光电二极管的工作原理2、掌握APD光电二极管的基本特性3、掌握APD光电二极管基本特性测试方法二、实验内容1、APD光电二极管暗电流测试实验2、APD光电二极管光电流测试实验3、APD光电二极管伏安特性测试实验4、APD光电二极管雪崩电压测试实验5、APD光电二极管光电特性测试实验6、APD光电二极管时间响应特性测试实验7、APD光电二极管光谱特性测试实验三、APD工作原理雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。

雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。

当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。

碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。

图1为APD的一种结构。

外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。

APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。

图4的结构为拉通型APD的结构。

从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。

尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。

当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。

I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。

APD雪崩二极管是一种特殊的光电二极管，具有雪崩放大效应，可以用于低光强下的光信号检测。

为了实时监测APD雪崩二极管的工作状况，需要设计一套电流和电压采集电路。

本文将针对此主题进行详细探讨，包括电路设计、电路参数选取和性能优化等方面。

一、电路设计在APD雪崩二极管的电流电压采集电路中，需要包括电流放大器和电压放大器两部分。

电流放大器用于放大APD雪崩二极管的输出电流信号，电压放大器用于放大APD雪崩二极管的输出电压信号。

1. 电流放大器电流放大器的设计需要考虑到APD雪崩二极管的输出电流范围和带宽。

一般来说，可以采用转impedance放大器（TIA）来将APD雪崩二极管的输出电流转换为电压信号。

TIA的输入阻抗需要足够大，以确保最小的电流损失。

TIA的增益需要根据APD雪崩二极管的输出电流范围来选取，通常需要进行仿真和实验验证。

2. 电压放大器电压放大器的设计需要考虑到APD雪崩二极管的输出电压范围和带宽。

一般来说，可以采用差分放大器来放大APD雪崩二极管的输出电压信号。

差分放大器的设计需要考虑到共模抑制比、输入阻抗和输出阻抗等参数，以确保稳定的放大效果。

二、电路参数选取在进行电路设计时，需要根据具体的APD雪崩二极管型号和工作条件来选取合适的电路参数。

主要包括放大器的增益、带宽、输入阻抗、输出阻抗等参数。

还需要考虑到电路的稳定性、可靠性和抗干扰能力等指标。

1. 放大器增益放大器的增益需要根据APD雪崩二极管的输出信号幅度来选取，一般来说，增益越大，对噪声的抑制能力越强，但也会增加电路的复杂性和功耗。

2. 放大器带宽放大器的带宽需要根据APD雪崩二极管的输出信号频率范围来选取，一般来说，带宽越大，对高频信号的响应能力越强，但也会增加电路的功耗和成本。

3. 输入阻抗和输出阻抗放大器的输入阻抗和输出阻抗需要根据APD雪崩二极管的输出阻抗和后级电路的需求来选取，一般来说，输入阻抗越大，对APD雪崩二极管的输出电流损失越小，输出阻抗越小，对后级电路的驱动能力越强。

由于硅半导体工艺技术业已完善成熟，特别容易与其他微电子器件结合，而且在制作硅基半导体器件时的Si薄膜材料有晶体型，无定型和多孔型等多种形式，应用灵活方便。因此硅基光电探测器对于探测波长为200nm-900nm的波段应用越来越普遍，而且在这个波段Si基光电子探测器的响应度比较高，但是随着波长的增加到1000nm左右的时候器件敏感响应度会很低。
[5]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10.
[6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料，确定方案，写文献综述
2014.1.18-3.20
2
学习APD光电二极管的工作原理
2014.3.21-3.30
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的研究领域，引起了各国科研工作者的兴趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基APD的近红外探测效率，其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收，然而随着APD体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加APD器件的暗电流和噪声，也提高了APD的响应时间，所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在APD器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子，也不会增加APD器件的体积，但是这种方法对工艺制作流程要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。Si是间接带隙材料，在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。因此硅的吸收截止波长是1100nm。从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率，人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配。或者改变硅基APD的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。

1 引言目前，雪崩光电二极管(APD)作为一种高灵敏、能精确接收数据和测量光功率的光探测器件广泛应用于光纤传感、光纤通信网络中。

它借助于内部强电场作用产生雪崩倍增效应，具有极高的内部增益(可达102～104量级)。

然而，APD随温漂的变化严重影响其增益的稳定性．甚至引起测量精度的恶化。

理论上可以证明APD的增益是其偏压V和温度T的函数，二者共同决定APD工作时的增益，而且在维持APD增益比较恒定的条件下，其偏压和温度之间存在一定的关系。

因此。

可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。

这样就可以维持APD增益基本恒定，保证其正常工作。

这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。

由此可知．施加在APD上的偏置电压必须能够精确受控是保证光纤系统性能的首要要求。

本文针对该要求。

采用ADL5317器件。

给出了一种具有高精度、宽动态范围的APD 偏压控制／光功率监测功能的核心电路。

2 引脚排列及功能ADL5317是ADI公司率先在业界推出的一款片上集成雪崩光电二极管(APD)偏置电压控制和光电流监测功能的器件。

ADL5317的主要特性如下：通过3V线性偏置控制电路，在6 V～75 V范围内精确设置雪崩二极管(APD)偏置电压；在106范围(5 nA一5 mA)内以5：1的比率监测光电流，其线性误差仅为0．5％；允许使用固定的高电压转换电路，降低传统APD偏置设计中对电源解耦和低通滤波的要求；过流保护和过热保护。

ADL5317采用3 mm*3 mm的16引脚LFCSP封装，其引脚排列如图1所示。

各引脚功能描述如表1所列。

3 内部结构及工作原理ADL5317的内部结构如图2所示。

其内部包括电流监测电路、偏置控制电路、GARD 电路、VCLH电路、过流和过热保护电路。

3．1 电流监测电路ADL5317的核心部分是一个具有电压跟随性质的精密电流衰减电路，为监测电路输入端提供精确偏置。

该电路采用了结型场效应管输入形式的放大器．驱动监测电路的两极，同时保持V APD端电压的稳定度及非常低的漏电流。