雪崩光敏二极管技术在光子学设计中的应用

在光敏二极管和光电倍增管之间有一个非常好的折中方案，就是雪崩光敏二极管（Avalanche Photodiode，APD）。在这种情况中，PIN光敏二极管是在非常高的反向偏压（约200V）下工作的。当入射光子产生电子-空穴对时，由此产生的载荷子可以从结两侧的电场获得足够能量以进一步产生电子-空穴对，导致类似于光电倍增管的“雪崩”倍增过程。因此，以较高工作电压的代价提高了灵敏度。

倍增过程中除光探测的噪声外，还有相当大的电噪声，原因是倍增过程的统计随机性。如果每个由光子产生的载荷子产生一个固定量的二级载流子，则存在的惟一噪声就是光子产生电流倍增后的发射噪声：

Δi_s=M（2ei_pΔf）^1/2

式中，M为倍增因子；e为电荷；i_p为光子产生的电流；Δf为带宽。最后探测到的i_D由下式给出：

i_D=Mi_p

所以(www.xing528.com)

Δi_s=（2eMi_DΔf）^1/2

然而，由于一个给定光生载流子生成二级载流子的数目是按照统计学规律变化的，所以存在与倍增过程相关的过量噪声。实际上，可以观察到的噪声表示为

Δi_s=F^1/2（2eMi_DΔf）^1/2

式中，F为过量噪声因子，是M的函数，通常在2～20范围内。

关于响应速度，可以泛泛地说，各类光探测器都可以工作到约1GHz的光学调制频率。为了得到该范围之外的频率，需要特别注意材料和设计，有报告称，通过精心设计PIN光敏二极管，能够得到高达60GHz的带宽。