雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度的半导体探测器，它利用光电效应将光信号转换为电信号。对于传统的光电二极管，PIN光电二极管通常工作在线性模式下，其输出电流非常微小且增益有限。相比之下，APD工作在反向偏置状态下，并利用雪崩击穿效应来放大微弱的光信号，从而获得更高的灵敏度；由于这种甚至能检测微弱信号的过程，其输出电流非常大。它也被称为“拉通型”APD，因为这种光电二极管允许电场扩展或“拉通”整个耗尽区。
APD（雪崩光电二极管）的符号
APD的符号是电路图中常用的图形表示法。它包含一个阳极和一个阴极。
雪崩光电二极管符号
雪崩光电二极管的构造
让我们来看看雪崩光电二极管的构造，下图展示了其具体结构：
雪崩光电二极管的构造
如图所示，它采用了 p+ i-p-n+ 的配置。PIN光电二极管和APD的构造非常相似，都包含两个重掺杂区域和两个轻掺杂区域。p+ 和 n+ 是重掺杂区域，而 i 和 p 是轻掺杂区域。在这种光电二极管中，本征区域的耗尽层宽度相比PIN光电二极管要薄得多。在这里，p+ 区域充当阳极，n+ 区域充当阴极。由于 p 层具有很高的电阻率，因此大部分反向偏置电压都施加在 p 和 n+ 区域上。当我们增加反向偏置电压时，耗尽层的宽度也会随之增加。
雪崩光电二极管的类型
APD 主要有三种类型：
- 硅 APD
- 铟镓砷 APD
- 锗 APD
1) 硅 APD
它们对可见光到近红外范围内的波长敏感，波长范围大约在 400-1100 nm。
硅雪崩光电二极管
它采用 p+ i-p-n+ 结构，包含重掺杂的 p+ 和 n+ 区域，以及轻掺杂的 I 和 p 区域。本征层是主要的耗尽区域，光子吸收和电子-空穴对的产生都发生在这里，本征层使用的材料是硅。p+ 和 n+ 接触点连接在一起，以提供高效的电荷收集，并建立雪崩倍增过程所需的电场。
2) InGaAs APD
铟镓砷（InGaAs）APD 适用于近红外到短波红外范围，波长约在 900-1700 nm。
InGaAs 雪崩光电二极管
这种类型的基本结构与硅APD几乎相似，不同之处在于它增加了一个用磷化铟材料掺杂的倍增层。通过这一层，电场强度得到放大，从而增强了器件的性能，具有更高的增益、更低的噪声，并针对特定的波长灵敏度进行了优化。其本征层掺杂的是铟镓砷材料。此外，轻掺杂的 p 层中也掺杂了一层 InP 材料。
3) 锗 APD
锗 APD 对中红外范围内的波长敏感，通常从 800 nm 到 1800 nm 左右。
锗雪崩光电二极管
其结构与硅APD相似，关键区别在于本征层使用的材料是锗，与硅相比，其带隙更小。
雪崩光电二极管的工作原理
当我们向光电二极管施加接近击穿电压的反向偏置时，入射光会产生电子空穴对。这些载流子以饱和速度移动。当它们以最大速度移动时，会与晶格发生碰撞。这种碰撞会产生新的电子空穴对。这些新生成的载流子会随着初始载流子一起移动。因此，电荷载流子发生了倍增，从而增加了电流。这种产生更多带电载流子的过程被称为碰撞电离。
PIN 光电二极管与雪崩光电二极管的区别
雪崩光电二极管
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与PIN光电二极管相比具有更高的灵敏度
具有较高的内部增益