一文读懂光电探测器PD与APD的核心差异——增益

硅光电二极管（Si PD）是最基础的硅光电探测器，深入理解其工作特性有助于理解雪崩光电二极管（APD）。本文将以PD为起点，介绍其基本原理、输出电流及时间特性等，并在此基础上，进一步讲解雪崩光电二极管（APD）的增益特性。

在晶体硅中进行掺杂，形成P型和N型半导体，两者结合形成PN结。由于N区和P区之间的多数载流子浓度梯度较大，即电子从N区扩散，空穴从P区扩散至对侧并复合。复合过程会耗尽结两侧相邻区域的多数载流子，形成所谓耗尽层。如下图所示：

图1 PD工作原理  

内部电场形成过程中，由于载流子的漂移运动和扩散运动逐渐在强度上形成平衡，载流子的净迁移停止，此时，如果通过外部能量源（如光子或热能）在耗尽层两侧产生过剩载流子，则可能打破这种平衡，引发结两侧的净电流。

• 这种外部能量可以是热激发，产生电子空穴对，并分别向两端移动，即产生所谓的暗电流；

• 这种外部能量可以是光子，即产生光电流。通常用光电流来表征光强，光电流从阳极流出，大小和光强成正比。

由于耗尽层外缺乏电场，载流子需依靠扩散和布朗随机行走到达耗尽层，之后才能在电场作用下快速漂移穿过PN结并被收集。

• 增加反偏电压，耗尽层深度增加，同时也会导致更多热生载流子被收集，那么暗电流也会增加。

• 类似于平行板电容器，通过增加反偏电压，增加耗尽层深度会减小PN结的结电容，从而提高光电二极管的频率带宽。

• 为进一步改善PN型光电二极管的频率响应和带宽，可在P区和N区之间引入本征硅区域，形成PIN型光电二极管。该本征区域可降低单位面积电容，从而提高截止频率和带宽。

图2 PN型和PIN型PD对比

光电二极管没有内部载流子倍增或增益机制。这些光电二极管的增益为 1，因此适合检测相对强的光信号。接下来，我们将介绍具有内部增益机制、适用于检测低光信号水平的雪崩光电二极管（APD）。

雪崩光电二极管APD全称：Avalanche Photo Diode，它具有高速、高灵敏度特性。常用于光纤通讯、激光测距、光谱测量、医学影像诊断、环境监测等方面。滨松提供各类封装（金属、陶瓷、表面贴装），单点/阵列，以及模块产品。

图3 长按下载APD技术使用指南

APD雪崩增益带来的最大优势，在于它能将原始光信号的幅值（相对于其自身的噪声）提升到足以压倒后续读出电路噪声的水平，从而显著改善系统的信噪比。

图4 APD雪崩增益效果

除了加深耗尽层外，增加PN结两端的反向偏置电压还会增强耗尽层中的电场。载流子在电场的作用下，速度会增加。这些载流子撞击晶格时可能使其电离，这种碰撞电离效应构成载流子倍增现象，使漂移的载流子数量迅速增加，类似雪崩过程。原始光生载流子数量与最终收集的电荷信号之间的载流子数量之比，即为雪崩过程的增益。

图5 APD工作原理

然而，APD的增益特性依赖于其工作条件。接下来，我们将介绍波长、温度与反向偏压这三个条件如何影响APD的增益。

量子效率受光波长影响，这个是比较好理解的。此外，APD的增益也会受到波长影响，这个现象是比较有意思的。要理解这一点，需注意APD有两种可选的制造结构：N-on-P（近红外型）和P-on-N（短波长型）。

其原理在于：由于长波（如近红外光）的穿透力更强，往往在器件的更深区域激发产生光生载流子。同时，对硅材料而言，电子的电离率比空穴更高。在N-on-P结构中，由长波光子在深处激发的电子需要穿越更长的雪崩倍增区，从而经历更多的碰撞电离机会，因此，N-on-P结构在长波长响应方面具有更高的增益。类似的，P-on-N结构则在短波长响应方面具有更高的增益。如下图所示，该图清晰地展示了短波型和近红外型APD的灵敏度（即增益）随波长的变化趋势。

图6 短波型和近红外型APD的光灵敏度/增益随波长的变化

APD增益会随温度升高而降低。其物理机制是：在高温下，晶格的热振动（声子振动）增强，这就导致被电场加速的载流子与晶格发生碰撞的概率增加。这些碰撞会使载流子损失动能，当能量不足以碰撞电离出新的电子-空穴对时，雪崩倍增效应就会被抑制，新生的载流子数量减少，最终造成增益的下降。其变化趋势如下图所示。

图7 增益vs反偏电压曲线随温度的变化

因此，如果需要让APD的增益在工作过程中保持相对稳定，就必须对施加的反偏电压进行温度补偿。温度补偿的具体逻辑是：将温度传感器放置在APD旁边实时监测其结温。当监测到温度上升了1℃时，便根据该型号APD产品手册中提供的击穿电压温度系数，相应地将反偏电压提升一个对应的电压值，以抵消温度升高带来的增益下降。

APD增益随反向偏置电压的增加而增大，这个规律比较容易理解：反向偏压越高，耗尽区内的电场强度就越大，载流子在电场中被加速后获得的动能也就更大，其碰撞电离的概率（电离率）随之增高，从而导致增益增大。

从下图的增益-电压曲线可以看出，这条曲线上存在两个明显的拐点，分别在50 V和110 V左右。

图8 增益随反偏电压的变化

对于50V至110V，在对数坐标下更像直线，符合指数函数规律。对于110V至140V左右则适用于理想突变结近似拟合。

APD的增益M与反偏电压V的关系，核心是基于雪崩倍增效应的物理模型。

雪崩光电二极管（APD）的增益M与反偏电压V的关系，核心是基于雪崩倍增效应的物理模型。

下面我们举个实际的测试案例：

APD型号：S3884

击穿电压值Vb：164 V@25℃

推荐工作电压值Vr：150 V@增益为100

环境温度：25℃。

图9 增益随反偏电压的关系

对于反偏电压远低于击穿电压的低增益区间时，我们使用以下指数函数公式进行拟合：

图10 低增益区拟合

对于反偏电压接近但未达到击穿电压时，我们使用以下理想突变结近似公式进行拟合：

图11 高增益区拟合

当APD工作在击穿电压附近时，增益急剧上升并且难以获取，我们可以注意到：暗环境下，当APD的反偏电压（158 V~161 V）接近击穿电压值（164 V）时，APD的暗噪声会迅速提升。

图12 击穿电压附近暗噪声迅速上升

APD最佳工作点增益是指 APD 维持相对恒定带宽和稳定噪声输出时的最高增益水平，可以通过下图来进行估算，APD 的最佳工作增益通常在几十到一百左右。

图13 APD最佳工作点增益计算

计算示例：

在温度300K、光电流1μA、负载电阻50Ω、过剩噪声指数0.3的条件下，计算得到最佳增益约为27.6。

此外，APD的增益测试方法在此文章APD增益测量，2分钟掌握核心方法中有详细说明。

PD与APD是面向不同需求的解决方案，其核心区别在于是否具备内部增益。

• PD (增益 = 1)：结构简单稳定，成本较低，是强光信号探测应用的理想选择。通过反偏压优化和PIN结构，可满足大多数常规应用对速度和带宽的要求。

• APD (增益 > 1)：通过内部雪崩倍增效应提供高增益，专为微弱光信号探测设计，但需要更精细的电压控制和温度管理。