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閱讀：411發(fā)布時(shí)間：2022-6-23
關(guān)于雪崩二極管的相關(guān)介紹，簡(jiǎn)明介紹了雪崩二極管的應(yīng)用及原理，并將其與PIN光電二極管做比對(duì)，探究它倆之間的區(qū)別。本文主要是關(guān)于雪崩二極管的相關(guān)介紹，簡(jiǎn)明介紹了雪崩二極管的應(yīng)用及原理，并將其與PIN光電二極管做比對(duì)，探究它倆之間的區(qū)別。
雪崩二極管，PN結(jié)有單向?qū)щ娦裕螂娮栊?，反向電阻很大。?dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然增加。就是反向電擊穿。它分雪崩擊穿和齊納擊穿。雪崩擊穿是PN結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時(shí)，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。
利用這個(gè)特性制作的二極管就是雪崩二極管，雪崩擊穿是在電場(chǎng)作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子又通過(guò)碰撞產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)，這就是倍增效應(yīng)。1生2，2生4，像雪崩一樣增加載流子。
齊納擊穿*不同，在高的反向電壓下，PN結(jié)中存在強(qiáng)電場(chǎng)，它能夠直接破壞！共價(jià)鍵將束縛電子分離來(lái)形成電子-空穴對(duì)，形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場(chǎng)強(qiáng)度很大！只有在雜質(zhì)濃度特別大！！的PN結(jié)才做得到。（雜質(zhì)大電荷密度就大）一般的二極管摻雜濃度沒(méi)這么高，它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現(xiàn)在特殊的二極管中，就是穩(wěn)壓二極管。
雪崩二極管能以多種模式產(chǎn)生振蕩，其中主要有碰撞雪崩渡越時(shí)間( IMPA TT)模式，簡(jiǎn)稱(chēng)崩越模式。其基本工作原理是：利用半導(dǎo)體PN結(jié)中載流子的碰撞電離和渡越時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生微波頻率下的負(fù)阻，從而產(chǎn)生振蕩。另一種重要的工作模式是俘獲等離子體雪崩觸發(fā)渡越時(shí)間(TRAPATT)模式,簡(jiǎn)稱(chēng)俘越模式。這種模式的工作過(guò)程是在電路中產(chǎn)生電壓過(guò)激以觸發(fā)器件，使二極管勢(shì)壘區(qū)充滿(mǎn)電子-空穴等離子體，造成器件內(nèi)部電場(chǎng)突然降低,而等離子體在低場(chǎng)下逐漸漂移出勢(shì)壘區(qū)。因此這種模式工作頻率較低，但輸出功率和效率則大得多。除上述兩種主要工作模式以外，雪崩二極管還能以諧波模式、參量模式、靜態(tài)模式以及熱模式工作。
雪崩二極管的結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)：?jiǎn)纹茀^(qū)雪崩二極管和雙漂移區(qū)雪崩二極管。單漂移區(qū)雪崩二極管的結(jié)構(gòu)有PN、 PIN、 P NN (或N PP )、P NIN (或N PIP )、MNN 。其中P NN 結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單,在適中的電流密度下能獲得較大的負(fù)阻，且頻帶較寬，因此在工業(yè)中應(yīng)用較多。雙漂移區(qū)雪崩二極管是 1970 年以后出現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)為P PNN ，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于兩個(gè)互補(bǔ)單漂移區(qū)雪崩二極管的串聯(lián)，從而有效地利用了電子和空穴漂移空間，因此輸出功率和效率均較高。
制造雪崩二極管的材料主要是硅和砷化鎵。雪崩二極管具有功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。它是固體微波源，特別是毫米波發(fā)射源的主要功率器件，廣泛地使用于雷達(dá)、通信、遙控、遙測(cè)、儀器儀表中。其主要缺點(diǎn)是噪聲較大。
雪崩二極管與PIN光電二極管有何區(qū)別，PIN: 光敏面接收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光照時(shí)，產(chǎn)生光生電流；雪崩光電二極管（APD）：除了和PIN相同部分外，多了一個(gè)雪崩增益區(qū)，光生電流會(huì)被放大，
放大的倍數(shù)稱(chēng)為雪崩增益系數(shù)。當(dāng)然同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生噪聲電流。PIN光電二極管、雪崩光電二極管均屬于半導(dǎo)體光電探測(cè)器，所使用的材料一樣，光譜響應(yīng)范圍也一樣。PIN光電二極管優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)度高響應(yīng)速度快，頻帶也較寬工作電壓低，偏置電路簡(jiǎn)單在反偏壓下可承受較高的反向電壓，所以線(xiàn)性輸出范圍寬不足之處在于I層電阻很大管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。所以PIN光電二極管通常接有前置放大器。
雪崩光電二極管是具有內(nèi)部增益光電探測(cè)器，雪崩增益雖比光電倍增管PMT小的多，但仍使APD的靈敏度比PIN光電二極管高的多，解決了PIN光電二極管靈敏度低的問(wèn)題，在高速調(diào)制微弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)其優(yōu)點(diǎn)便更加明顯，但由于其增管效益，信號(hào)中的噪聲也會(huì)同時(shí)被放大，且其增益系數(shù)受溫度影響必要時(shí)還需采用溫度補(bǔ)償措施。較之APDPIN，光電二極管對(duì)溫度不敏感適用場(chǎng)合受限制較少，所以絕大多數(shù)系統(tǒng)均采用PIN光電二極管，但在信號(hào)損耗過(guò)大光信號(hào)過(guò)于微弱或長(zhǎng)距離傳輸?shù)葪l件下，APD就很有必要。
影響PIN光電二極管的影響因素
穩(wěn)壓二極管的雪崩效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體二極管加上足夠高的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子就可能因碰撞電離效應(yīng)而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導(dǎo)體二極管的反向擊穿機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。當(dāng)載流子的雪崩增益非常高時(shí)，二極管進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)；在此以前，只要耗盡層中的電場(chǎng)足以引起碰撞電離，則通過(guò)耗盡層的載流子就會(huì)具有某個(gè)平均的雪崩倍增值。
碰撞電離效應(yīng)也可以引起光生載流子的雪崩倍增，從而使半導(dǎo)體光電二極管具有內(nèi)部的光電流增益。1953年，K.G.麥克凱和K.B.麥卡菲報(bào)道鍺和硅的PN結(jié)在接近擊穿時(shí)的光電流倍增現(xiàn)象。1955年，S.L.密勒指出在突變PN結(jié)中，載流子的倍增因子M隨反向偏壓V的變化可以近似用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示
M＝1/［1-（V/VB）n］
式中VB是體擊穿電壓，n是一個(gè)與材料性質(zhì)及注入載流子的類(lèi)型有關(guān)的指數(shù)。當(dāng)外加偏壓非常接近于體擊穿電壓時(shí)，二極管獲得很高的光電流增益。PN結(jié)在任何小的局部區(qū)域的提前擊穿都會(huì)使二極管的使用受到限制，因而只有當(dāng)一個(gè)實(shí)際的器件在整個(gè)PN結(jié)面上是高度均勻時(shí)，才能獲得高的有用的平均光電流增益。因此，從工作狀態(tài)來(lái)說(shuō)，雪崩光電二極管實(shí)際上是工作于接近（但沒(méi)有達(dá)到）雪崩擊穿狀態(tài)的、高度均勻的半導(dǎo)體光電二極管。1965年，K.M.及安德森等分別報(bào)道了在微波頻率下仍然具有相當(dāng)高光電流增益的、均勻擊穿的半導(dǎo)體雪崩光電二極管。從此，雪崩光電二極管作為一種新型、高速、靈敏的固態(tài)光電探測(cè)器件漸漸受到重視。
性能良好的雪崩光電二極管的光電流平均增益嚔可以達(dá)到幾十、幾百倍甚至更大。半導(dǎo)體中兩種載流子的碰撞離化能力可能不同，因而使具有較高離化能力的載流子注入到耗盡區(qū)有利于在相同的電場(chǎng)條件下獲得較高的雪崩倍增。但是，光電流的這種雪崩倍增并不是理想的。一方面，由于嚔隨注入光強(qiáng)的增加而下降，使雪崩光電二極管的線(xiàn)性范圍受到一定的限制，另一方面更重要的是，由于載流子的碰撞電離是一種隨機(jī)的過(guò)程，亦即每一個(gè)別的載流子在耗盡層內(nèi)所獲得的雪崩增益可以有很廣泛的幾率分布，因而倍增后的光電流I比倍增前的光電流I0有更大的隨機(jī)起伏，即光電流中的噪聲有附加的增加。與真空光電倍增管相比，由于半導(dǎo)體中兩種載流子都具有離化能力，使得這種起伏更為嚴(yán)重。
式中q為電子電荷，B為器件工作帶寬，F(xiàn)（嚔）表示雪崩倍增過(guò)程所引起噪聲的增加，稱(chēng)為過(guò)剩噪聲因子。一般情況下，F(xiàn)隨嚔的變化情況相當(dāng)復(fù)雜。有時(shí)為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，近似地將F表示為F＝嚔x，x稱(chēng)為過(guò)剩噪聲指數(shù)。F或x是雪崩光電二極管的重要參數(shù)。
由于F大于1，并隨嚔的增加而增加，因而只有當(dāng)一個(gè)接收系統(tǒng)（包括探測(cè)器件即雪崩光電二極管、負(fù)載電阻和前置放大器）的噪聲主要由負(fù)載電阻及放大器的熱噪聲所決定時(shí)，提高雪崩增益嚔可以有效地提高系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)的探測(cè)性能獲得改善；相反，當(dāng)系統(tǒng)的噪聲主要由光電流的噪聲決定時(shí)，增加嚔就不再能使系統(tǒng)的性能改善。這里起主要作用的是過(guò)剩噪聲因子F的大小。為獲得較小的F值，應(yīng)采用兩種載流子離化能力相差大的材料，使具有較高離化能力的載流子注入到耗盡層，并合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)。
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