APD雪崩光電二極管的使用方法及核心信息講解

APD雪崩光電二極管是一種常見的光電探測器，它因相比PD光電二極管具有更高微光探測能力（更高的增益），相比PMT光電倍增管具有更低的價(jià)格，而被廣泛用于測距/醫(yī)療等行業(yè)。

這篇文章主要對APD雪崩光電二極管的一些核心信息進(jìn)行講解，同時(shí)與其它一些比較相似的器件，如PIN光電二極管/MPPC（SiPM，硅光電倍增管）/PMT光電倍增管，做一下區(qū)別分析，以及使用優(yōu)勢和使用方法的說明。

一，APD雪崩光電二極管與其它幾種探測器的區(qū)別

1，APD雪崩光電二極管的引腳介紹

APD雪崩光電二極管引腳中的case/NC和KC代表什么意思呢？Case代表的是外殼，一般TO封裝的器件外面都有金屬殼包裹，能夠屏蔽電磁干擾；NC代表NOT CONNECTED，表示此引腳不做連接。我們用K代表Cathode，K來源于德語的Kathode。所以KC就是cathode common（共陰極）的意思。

這個(gè)引腳的定義，對濱松所有TO封裝的器件都適用。

2，APD雪崩光電二極管和PIN光電二極管

PIN光電二極管的探測下限由負(fù)載電阻熱噪聲和放大噪聲決定。APD雪崩光電二極管有一個(gè)內(nèi)增益系數(shù)，可以將信號放大到很大級別而超過熱噪聲，可以用來高速和低噪聲光探測。也就是說，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管都能進(jìn)行高速探測，但是PIN光電二極管能探測的微光下限受到負(fù)載電阻熱噪聲和放大噪聲決定的影響，APD雪崩光電二極管能探測更低噪聲的光信號。

APD雪崩光電二極管的增益系數(shù)是指，高偏置電壓下的（倍增后的）光電流與無偏置電壓下（無倍增的）光電流之比。

另外再講解一下脈沖光峰值功率和平均功率的關(guān)系，見下面公式：

Ppeak = Pavg/（freq*脈寬）

其中，Ppeak代表峰值功率，Pavg代表平均功率，freq代表脈沖光頻率。

3，APD雪崩光電二極管與SiPM硅光電倍增管像素中的APD的區(qū)別

從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)來說，MPPC中的APD和普通的APD是一樣的。但是，MPPC中的SiPM摻雜濃度比普通的APD高很多，所以很小的電壓即可實(shí)現(xiàn)SiPM在蓋革模式下工作，主要區(qū)別整理如下表：

4，APD雪崩光電二極管與PMT光電倍增管的區(qū)別

APD是半導(dǎo)體器件，與光電倍增管相比有更高的量子效率。APD可以被做成很小的尺寸，不易受磁場的影響，并且具有較寬的動態(tài)范圍。但是，APD有一些劣勢，比如較大的噪聲，較低的倍增因子，因此當(dāng)探測極弱的光，光電倍增管有很大的優(yōu)勢。

二，APD雪崩光電二極管的使用方法

1，如何確定APD雪崩光電二極管的最佳增益水平

關(guān)于如何確定APD雪崩光電二極管的最佳增益，需要結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)來分析，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中最大的信噪比。

隨著增益的增加，信號電流被放大，雖然信號和暗電流的散粒噪聲也會被放大，但是由于電阻的熱噪聲是和增益無關(guān)的，所以系統(tǒng)中必定存在一個(gè)最佳信噪比，直到散粒噪聲達(dá)到熱噪聲的程度，系統(tǒng)的信噪比會達(dá)到最大。

理論推導(dǎo)的最佳增益可以用以下公式計(jì)算：

這里需要注意的是，暗電流會隨著電壓的增加而增加，實(shí)際使用過程中，增益控制在幾十的范圍內(nèi)比較合適。

暗電流隨溫度的變化在對數(shù)坐標(biāo)下是線性的。如下公式，因?yàn)榘惦娏麟S溫度的變化是指數(shù)上升的，兩邊取對數(shù)可得，暗電流的對數(shù)與溫度成正比，此外暗電流的溫度系數(shù)的單位是 times/℃，而不是 A/℃。

2，關(guān)于APD雪崩光電二極管的感光面

關(guān)于APD雪崩光電二極管的感光面積，由于在增加APD感光面積的過程中，會造成不同感光區(qū)域增益系數(shù)有差別，因此需要有一些特殊的處理技術(shù)來獲得統(tǒng)一的增益系數(shù)。目前，APD的光敏面積可以達(dá)到10×10mm（S8664-1010）。

所以，目前濱松量產(chǎn)的APD型號，邊緣與中心區(qū)域的增益基本沒有差別。在邊沿10um處有些許增益下降情況，但是邊緣處的下降原因是由于測試的光斑無法再繼續(xù)減小光斑尺寸，有部分光已打在感光面外面所致，此現(xiàn)象在M=1時(shí)的圖中較為明顯。

如何測量APD增益的一致性呢？以S14512為例，在增益M=50時(shí)，使用點(diǎn)光源在APD感光面移動，測試APD的輸出信號。

測試條件：光源波長: 830nm；輸入光功率: 約為200nW，連續(xù)光；點(diǎn)光源大小: φ=5μm(半高寬)；使用830 nm 或 905 nm波長的光不會影響增益一致性的測試結(jié)果。測試結(jié)果如下圖：

很多型號APD的感光面比較小，如果光斑面積大于APD的感光面積，會不會有影響呢？

答案是會。當(dāng)光斑面積大于APD的感光面積時(shí)，有可能會產(chǎn)生信號拖尾現(xiàn)象。圖中藍(lán)色部分為感光面，紅色部分為外部電極和內(nèi)環(huán)電極之間的部分。如果光斑打在紅色部分則會產(chǎn)生拖尾慢信號。

3，APD雪崩光電二極管的探測上限和下限

一般APD輸出電流在200uA以上之后，線性度就會下降。同時(shí)如果光斑較小，電流密度較大，這會導(dǎo)致輸出電流在200uA之前，線性度就會有所下降。

APD的等效噪聲功率（NEP）公式：

以S2381型（低偏壓工作）近紅外APD為例，其典型NEP（噪聲等效功率）大概為5×10-16W/Hz1/2。探測下限還和探測器帶寬有關(guān)，參考以下公式：

4，APD雪崩光電二極管增益與溫度的關(guān)系

APD雪崩光電二極管的工作原理是，工作在擊穿電壓以下，當(dāng)光子入射到APD光敏區(qū)域時(shí)，會有一定的概率產(chǎn)生電子空穴對，這些電子空穴對在電場的作用下加速向兩極移動，移動過程中會碰撞晶格，速度較大的載流子碰撞晶格會產(chǎn)生新的電子空穴對。

當(dāng)溫度升高的時(shí)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，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，使得新生的電子空穴對減少，最后就造成了增益的下降。

那么，當(dāng)溫度變化時(shí)，怎樣才能保持恒定的增益？正常的操作是根據(jù)溫度的變化來控制APD的反向偏壓，從而保持恒定的增益。例如已知APD的擊穿電壓的溫度系數(shù)為1.1 V/℃，那么溫度每升高1 ℃，反向偏壓相應(yīng)升高1.1 V。

對于低偏壓型和低溫度系數(shù)型APD，在使用相同封裝的條件下，由于低偏壓工作型有較大的溫度系數(shù)，在低溫下工作時(shí)，電容變得很大，引起響應(yīng)速度的變慢，因此工作低溫的極限是-20℃。

如果希望得到最優(yōu)的散熱效果，如何設(shè)計(jì)熱沉？以常用的TO封裝S12023舉例。假設(shè)APD固定在基板上，基板溫度25 ℃，功耗0.1 W，從下圖可以看到內(nèi)部導(dǎo)熱路徑由芯片到管基再到基板。因此在設(shè)計(jì)散熱夾具或控溫夾具時(shí)，比較好的是貼近管基。

5，APD雪崩光電二極管增益與光波長的關(guān)系

不同波長的光子入射深度不一樣，波長更長的，入射深度更深。當(dāng)載流子通過PN結(jié)附近的高電場時(shí)會發(fā)生雪崩倍增。對硅來說，硅的電子電離率高。

APD增益還與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)，雪崩層在PN結(jié)前面的區(qū)域中，當(dāng)入射光波長較長，能夠達(dá)到比雪崩層更深處時(shí)，可以得到滿意的增益特性。所以說，APD結(jié)構(gòu)決定了能夠獲得滿意增益的波長。

6，APD雪崩光電二極管的擊穿電壓

APD的擊穿電壓定義為暗電流達(dá)到100uA時(shí)候的反向電壓。APD在擊穿電壓附近，電流迅速上升，略微超過擊穿電壓后，電流繼續(xù)上升，達(dá)到200uA左右后，線性度會有所惡化，但這還不會對器件產(chǎn)生不可逆的損害，及時(shí)將電壓降低后，可繼續(xù)正常工作，一般APD推薦在擊穿電壓以下幾伏工作。

S12023-02/-05/-10/-10A，S12086以及S3884近紅外型APD（低偏置電壓工作）屬于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，可分為三種電壓等級：80-120V，120-160V，160-200V。

在等效電路中，Rs，Rj和Cj的值如何設(shè)置。以S14645-05為例，在增益M=50時(shí)，25 ℃ 的溫度下。 Cj = 0.95 pF ，Rs = 3 Ω，Rj = 2G Ω 。由于結(jié)電容等數(shù)值與溫度、反向偏壓相關(guān)，所以增益和工作電壓需要確定后才可以得到參考數(shù)值。

三，注意事項(xiàng)

大功率激光脈沖入射，會造成APD出現(xiàn)脈沖響應(yīng)飽和的現(xiàn)象。脈沖光入射導(dǎo)致的APD飽和會出現(xiàn)下降沿延長等問題，該問題與本身APD的材料結(jié)構(gòu)相關(guān)，通過外部電路沒有很好的辦法可以改善（如限流、改變負(fù)載大小等等），因此實(shí)際使用時(shí)最好可以限制回波脈沖光的強(qiáng)度。

目前飽和加寬問題較好的APD是S9251，但是與S14645相比Vbr增加，Vbr的溫度系數(shù)增加，響應(yīng)速度變慢。我們有計(jì)劃基于S14645改善飽和后脈寬加寬這一現(xiàn)象，但是需要大概一年以上的時(shí)間，并且Vbr的分布會變大，會影響陣列產(chǎn)品的Vbr一致性，這個(gè)我們還需要權(quán)衡是否有必要改善。

APD的飽和脈沖波形，從產(chǎn)生的原理上分析是由于等效串聯(lián)電阻的阻值變化引起的。在有電流流過時(shí)，等效串聯(lián)電阻的阻值上升，使加在APD上的Vr值下降，之后電流下降Vr值又升高。這種變化的串聯(lián)電阻現(xiàn)象有可能是芯片背側(cè)沒有完全接觸導(dǎo)致。

濾光片上異物（薄膜）問題。APD本身不會產(chǎn)生和釋放任何物質(zhì)或氣體，可能該層物質(zhì)只和濾光片有關(guān)，也有一點(diǎn)兒的可能性是樹脂（die bonding時(shí)）或膠水（粘合玻璃等）會釋放一些氣體粘附在濾波片上。