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廣東順燁電子有限公司
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閱讀：398發布時間：2022-6-23
關于雪崩二極管的相關介紹，簡明介紹了雪崩二極管的應用及原理，并將其與PIN光電二極管做比對，探究它倆之間的區別。本文主要是關于雪崩二極管的相關介紹，簡明介紹了雪崩二極管的應用及原理，并將其與PIN光電二極管做比對，探究它倆之間的區別。
雪崩二極管，PN結有單向導電性，正向電阻小，反向電阻很大。當反向電壓增大到一定數值時，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結反向電壓增大到一數值時，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。
利用這個特性制作的二極管就是雪崩二極管，雪崩擊穿是在電場作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價鍵中的電子激發形成自由電子-空穴對。新產生的載流子又通過碰撞產生自由電子-空穴對，這就是倍增效應。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結中存在強電場，它能夠直接破壞！共價鍵將束縛電子分離來形成電子-空穴對，形成大的反向電流。齊納擊穿需要的電場強度很大！只有在雜質濃度特別大！！的PN結才做得到。（雜質大電荷密度就大）一般的二極管摻雜濃度沒這么高，它們的電擊穿都是雪崩擊穿。齊納擊穿大多出現在特殊的二極管中，就是穩壓二極管。
雪崩二極管能以多種模式產生振蕩，其中主要有碰撞雪崩渡越時間( IMPA TT)模式，簡稱崩越模式。其基本工作原理是：利用半導體PN結中載流子的碰撞電離和渡越時間效應產生微波頻率下的負阻，從而產生振蕩。另一種重要的工作模式是俘獲等離子體雪崩觸發渡越時間(TRAPATT)模式,簡稱俘越模式。這種模式的工作過程是在電路中產生電壓過激以觸發器件，使二極管勢壘區充滿電子-空穴等離子體，造成器件內部電場突然降低,而等離子體在低場下逐漸漂移出勢壘區。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、靜態模式以及熱模式工作。
雪崩二極管的結構可分為兩大類：單漂移區雪崩二極管和雙漂移區雪崩二極管。單漂移區雪崩二極管的結構有PN、 PIN、 P NN (或N PP )、P NIN (或N PIP )、MNN 。其中P NN 結構工藝簡單,在適中的電流密度下能獲得較大的負阻，且頻帶較寬，因此在工業中應用較多。雙漂移區雪崩二極管是 1970 年以后出現的，其結構為P PNN ，實質上相當于兩個互補單漂移區雪崩二極管的串聯，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、效率高等優點。它是固體微波源，特別是毫米波發射源的主要功率器件，廣泛地使用于雷達、通信、遙控、遙測、儀器儀表中。其主要缺點是噪聲較大。
雪崩二極管與PIN光電二極管有何區別，PIN: 光敏面接收對應波長的光照時，產生光生電流；雪崩光電二極管（APD）：除了和PIN相同部分外，多了一個雪崩增益區，光生電流會被放大，
放大的倍數稱為雪崩增益系數。當然同時也會產生噪聲電流。PIN光電二極管、雪崩光電二極管均屬于半導體光電探測器，所使用的材料一樣，光譜響應范圍也一樣。PIN光電二極管優點在于響應度高響應速度快，頻帶也較寬工作電壓低，偏置電路簡單在反偏壓下可承受較高的反向電壓，所以線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，一般多為零點幾微安至數微安。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部增益光電探測器，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題，在高速調制微弱信號檢測時其優點便更加明顯，但由于其增管效益，信號中的噪聲也會同時被放大，且其增益系數受溫度影響必要時還需采用溫度補償措施。較之APDPIN，光電二極管對溫度不敏感適用場合受限制較少，所以絕大多數系統均采用PIN光電二極管，但在信號損耗過大光信號過于微弱或長距離傳輸等條件下，APD就很有必要。
影響PIN光電二極管的影響因素
穩壓二極管的雪崩效應，當一個半導體二極管加上足夠高的反向偏壓時，在耗盡層內運動的載流子就可能因碰撞電離效應而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導體二極管的反向擊穿機構時發現了這種現象。當載流子的雪崩增益非常高時，二極管進入雪崩擊穿狀態；在此以前，只要耗盡層中的電場足以引起碰撞電離，則通過耗盡層的載流子就會具有某個平均的雪崩倍增值。
碰撞電離效應也可以引起光生載流子的雪崩倍增，從而使半導體光電二極管具有內部的光電流增益。1953年，K.G.麥克凱和K.B.麥卡菲報道鍺和硅的PN結在接近擊穿時的光電流倍增現象。1955年，S.L.密勒指出在突變PN結中，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驗公式表示
M＝1/［1-（V/VB）n］
式中VB是體擊穿電壓，n是一個與材料性質及注入載流子的類型有關的指數。當外加偏壓非常接近于體擊穿電壓時，二極管獲得很高的光電流增益。PN結在任何小的局部區域的提前擊穿都會使二極管的使用受到限制，因而只有當一個實際的器件在整個PN結面上是高度均勻時，才能獲得高的有用的平均光電流增益。因此，從工作狀態來說，雪崩光電二極管實際上是工作于接近（但沒有達到）雪崩擊穿狀態的、高度均勻的半導體光電二極管。1965年，K.M.及安德森等分別報道了在微波頻率下仍然具有相當高光電流增益的、均勻擊穿的半導體雪崩光電二極管。從此，雪崩光電二極管作為一種新型、高速、靈敏的固態光電探測器件漸漸受到重視。
性能良好的雪崩光電二極管的光電流平均增益嚔可以達到幾十、幾百倍甚至更大。半導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有利于在相同的電場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，由于嚔隨注入光強的增加而下降，使雪崩光電二極管的線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的過程，亦即每一個別的載流子在耗盡層內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，由于半導體中兩種載流子都具有離化能力，使得這種起伏更為嚴重。
式中q為電子電荷，B為器件工作帶寬，F（嚔）表示雪崩倍增過程所引起噪聲的增加，稱為過剩噪聲因子。一般情況下，F隨嚔的變化情況相當復雜。有時為簡單起見，近似地將F表示為F＝嚔x，x稱為過剩噪聲指數。F或x是雪崩光電二極管的重要參數。
由于F大于1，并隨嚔的增加而增加，因而只有當一個接收系統（包括探測器件即雪崩光電二極管、負載電阻和前置放大器）的噪聲主要由負載電阻及放大器的熱噪聲所決定時，提高雪崩增益嚔可以有效地提高系統的信噪比，從而使系統的探測性能獲得改善；相反，當系統的噪聲主要由光電流的噪聲決定時，增加嚔就不再能使系統的性能改善。這里起主要作用的是過剩噪聲因子F的大小。為獲得較小的F值，應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，并合理設計器件結構。
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