APD雪崩光電二極管是一種常用的光電器件，它能產(chǎn)生增益，因此相比PD光電二極管能探測更微弱的光。為方便選擇更合適的APD雪崩光電二極管，本文將教大家如何看懂APD雪崩光電二極管的各項參數(shù)。同時，還會講解如何測量APD雪崩光電二極管的增益。

        以S14645-02和S14645-05為例，下圖為這兩個型號的參數(shù)表：

        我們將按照最左側(cè)的參數(shù)（Parameter項），從上往下依次講解。

一，Spectral response range---光譜響應(yīng)范圍

        從字面意思上就可以看出，該項參數(shù)是表示APD雪崩光電二極管的光譜響應(yīng)范圍，即可以測量什么波長范圍內(nèi)的光。

        具體來說，APD雪崩光電二極管的短波下限取決于窗材透過率，長波上限取決于本征材料特性。

        以硅酸硼玻璃和塑料樹脂窗材為例，這類材料對短波具有吸收特性，因此，短波下限一般在400nm。如果對紫外波段有探測需求，可以選擇石英窗材的APD雪崩光電二極管，這類APD的短波下限都在300nm以下。

        至于長波上限，以Si APD為例。由于硅在常溫下的帶隙能為1.24 eV。λc=1240/Eg (nm)，Eg：帶隙能。帶入計算就可得到，以硅為感光材料的APD雪崩光電二極管，其長波上限就在1100nm左右。如果您需要探測更長波段的近紅外，就需要選擇InGaAs APD。

二，Peak sensitivity wavelength---峰值靈敏度波長

        字面意思，即靈敏度最高的波長，也就是APD雪崩光電二極管在該波長附近，靈敏度最高。

        一般來說，所選光源的波長越靠近峰值靈敏度波長，APD的信號輸出更大 。注意，該參數(shù)并不是說只能探測峰值靈敏度波長，只是給出了一個靈敏度最大的波長參考值。實際上，只要在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的波長，APD雪崩光電二極管都是可以探測的。如果輸出靈敏度比較低，可以在后端做跨阻放大。

三，Photosensity---光靈敏度

        光靈敏度是一個范圍值，需要理解為在特定波長及增益倍數(shù)下的靈敏度。

        光靈敏度（單位：A/W）的定義為光電流（單位：A）與特定波長入射光輻射能通量（單位：W）的比值。光靈敏度的大小受溫度，波長，增益的影響。增益為1可以理解為不加偏壓。

        以S14645-02和S14645-05為例，在波長為900nm，溫度為25℃，增益M=1的條件下，光靈敏度為0.5A/W。如果加上偏壓，如增益為100，則靈敏度為50A/W。

四，Quantum efficiency---量子效率

        量子效率，可以理解為在特定波長條件下，APD雪崩光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率，定義為：在特定波長的光照下，最終形成光電流的電子（或空穴）數(shù)目占總?cè)肷涔庾拥陌俜直取挝灰话銥?%。

        量子效率主要受光波長和APD的光靈敏度兩個因素的影響。不同波長的光子的能量是不同的，波長越長，光子的能量越大。因此，量子效率與光波長成反比，與靈敏度成正比。下圖為量子效率（QE）的計算公式：

五，Breakdown voltage---擊穿電壓

        擊穿電壓，顧名思義就是APD雪崩光電二極管發(fā)生擊穿現(xiàn)象時所施加的反向偏壓。定義為：APD暗電流為100uA的情況下，反向偏壓的大小。

        APD的暗電流在擊穿電壓附近會快速上升。一般情況下，APD都是在擊穿電壓以下幾伏工作。但有時候，反向偏壓超過了擊穿電壓，也并一定會造成APD被擊穿，即APD不可逆損壞。以S14645-05為例，當反向偏壓超過擊穿電壓后，如暗電流達到200uA，然后降低偏壓，APD仍能正常恢復(fù)。

        原則上，APD是不允許超過擊穿電壓使用的。

六，Temperature coefficient of VBR---擊穿電壓溫度系數(shù)

        擊穿電壓溫度系數(shù)，主要是用來表示擊穿電壓的變化與溫度變化的關(guān)系。

        溫度會影響擊穿電壓的大小。當溫度升高的時候，晶格振動會變大，這就導(dǎo)致一些速度不夠快的載流子碰撞到晶格的概率增加。但是，載流子的能量不足以碰撞出新的電子空穴對，反而可能損失了一部分動能。因此，為了進一步提高載流子的電離率，需要更大的電場去加速。宏觀上顯示出來的，就是擊穿電壓變大。

        以S14645-05為例。當溫度每升高1℃，擊穿電壓升高1.1V?？紤]到有些探測器需要應(yīng)用在野外，溫度變化較大，從而影響探測器的信號輸出大小。此時，通過參考擊穿電壓溫度系數(shù)，溫度每升高1℃，相應(yīng)的反向偏壓也升高1.1V，讓擊穿電壓和反向偏壓的差值保持不變，從而穩(wěn)定探測器的增益及信號輸出大小。

七，Dark current---暗電流

        當電路中加上了反向電壓（ VR ）時，會一直有電流通過APD，這個電流甚至在APD不感光時也依然存在，所以稱之為暗電流。暗電流大小的影響因素有兩個，一個是反向電壓，一個是溫度。

        但暗電流本身不是噪聲，暗電流的不確定性才是噪聲。其實就是來自暗電流的散粒噪聲。舉個具體的例子，假設(shè)暗電流為100 pA，實際的暗電流則是會在100 pA左右波動，這一時刻可能是97 pA，下一時刻又變成101 pA，這個不確定性的絕對量會隨著暗電流的變大而變大。所以暗電流越大，APD的噪聲就越大。

        APD暗電流來自氧化膜界面的表面漏電流（ Ids ）和襯底內(nèi)部產(chǎn)生的電流（ Idg ）組成。會經(jīng)過雪崩層從而有M倍的增益放大。

        增益M=100這個條件指的是環(huán)境溫度25 ℃，給定一束波長為900nm的光束，某個偏壓值測量的光電流與無偏壓條件測量的光電流的比例為100。M=100這個條件的目的，就是為了確定這個反向偏壓值，再回到暗環(huán)境，設(shè)置這個反向電壓值，得到暗電流大小。

八，Temperature coefficient of ID---暗電流溫度系數(shù)

        溫度會影響暗電流的大小，溫度越高，暗電流越大。以S14645-05為例，溫度每升高1℃，暗電流變大為1.1倍。從這個參數(shù)上也可以看出，暗電流隨溫度的變化是指數(shù)上升的，因此暗電流的溫度系數(shù)的單位是times/℃，而不是A/℃。

九，Cutoff frequency---截止頻率

        當APD接收到激光二極管等發(fā)射的正弦調(diào)制光波時，其截止頻率fc定義為APD的輸出（電流或電壓）相比于100%輸出下降3dB時的頻率。截止頻率（ fc ）與上升時間（ tr ）的換算公式為：tr（ns）=0.35/fc（GHz）。

        以S14645-05為例，測試條件為，溫度25 ℃，增益為100，負載電阻為50Ω，光源波長900nm的條件下，光功率下降一半（-3dB）時的頻率為600MHz。

        截止頻率主要反映的是APD的響應(yīng)速度，即上升沿。這個從截止頻率（ fc ）與上升時間（ tr ）的換算公式中就可以看出。

十，Terminal capacitance---終端電容

        終端電容（ Ct ）包含了結(jié)電容（ Cj ）和封裝時所產(chǎn)生的寄生電容（Package stray capacitance），是一個更加實用的數(shù)據(jù)。

        什么是結(jié)電容（ Cj ）呢？由于耗盡層的存在，APD的PN結(jié)中會形成一個等效電容，這個就是結(jié)電容（ Cj ）。

        一般說來，終端電容（ Ct ）越大，APD響應(yīng)速度越慢。電容的作用就是充放電。電容越大，充放電時間越長，APD的響應(yīng)速度自然就越慢。因此，終端電容的大小，最終會影響APD輸出信號的時效性。

        以S14645-05為例，測試條件為溫度25 ℃，增益為100，光源調(diào)制頻率為1MHz的條件下，終端電容為1pF。

十一，Excess noise figure---過剩噪聲指數(shù)

        過剩噪聲指數(shù)用于近似計算APD的散粒噪聲，進一步可以計算APD的信噪比，等效噪聲功率等。 只要反向電壓恒定，APD增益就是每個載流子倍增的平均數(shù)。但是電離率不均勻，存在統(tǒng)計浮動，由此在倍增過程中會引入倍增噪聲，即過剩噪聲。

        對于電子而言，倍增噪聲系數(shù)（ F，也叫倍增噪聲因子 ）為：

        其中k為空穴的電離率（β）與電子的電離率（α）的比值稱作電離率比（k（=β/α））。對于空穴則替換為1/k。

        過剩噪聲隨著增益的升高而變大，如下圖所示：

        從中可以看出過剩噪聲系數(shù)和增益相關(guān)，受波長和APD結(jié)構(gòu)影響，并近似看出過剩噪聲系數(shù)和增益是指數(shù)關(guān)系，因此，引入過剩噪聲指數(shù)（X），過剩噪聲系數(shù)（F）近似表達為：F=M的X次方。

        有了過剩噪聲系數(shù)，進一步就可以計算APD的散粒噪聲：

十二，Gain---增益

        初級電子空穴對在內(nèi)電場中加速，加速過程中碰撞晶格產(chǎn)生新的電子空穴對，由此單個光子信號結(jié)束后產(chǎn)生的電子空穴對的均值即為增益。

        影響增益的因素有反向電壓，溫度，波長，如下圖所示：

        下面將為大家講解一下，如何測量APD的增益。

        從下圖可以知道，當反向電壓為0時，APD的增益為1，也就是和PD一樣，并未發(fā)生雪崩，此時輸出信號為IO；在相同的光強下，隨著電壓的增加，增益增加，輸出信號IP有所增加，增益計算如下：M= IP/IO 。

        下圖為測量APD增益的示意圖：

        值得注意的是，不同的光場分布，對于最終的增益測量有所區(qū)別。如LED發(fā)散后照射到整個芯片，或者LED經(jīng)過聚光，只照射到光敏面。具體原因如下：

        芯片包含兩部分，光敏面和間隙均具有靈敏度，然而，信號只有到光敏面內(nèi)部才能夠被倍增。濱松的測試條件為LED發(fā)散后照射到整個芯片，包括光敏面和間隙。

        因此，輸出信號=光敏面的輸出+間隙的輸出。假設(shè)光敏區(qū)輸出為8，間隙輸出為2，則輸出信號應(yīng)為10。當我們要將輸出信號放大60倍時，光敏面輸出需要達到598。

        然而，這種情況下光敏面的增益為74.75（598/8），是要大于60倍的增益的。

        因此，如果使用標簽上 (M = 60)的電壓 VR，并且光僅入射到感光面內(nèi)探測，增益將大于60。

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