本文主要是關(guān)于雪崩光電二極管的相關(guān)介紹，詳細闡述了雪崩光電二極管在測距電路中的作用，并探究了雪崩二極管靜電毀壞的原因。
雪崩二極管
當(dāng)一個半導(dǎo)體二極管加上足夠高的反向偏壓時，在耗盡層內(nèi)運動的載流子就可能因碰撞電離效應(yīng)而獲得雪崩倍增。人們最初在研究半導(dǎo)體二極管的反向擊穿機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。當(dāng)載流子的雪崩增益非常高時，二極管進入雪崩擊穿狀態(tài)；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(yīng)也可以引起光生載流子的雪崩倍增，從而使半導(dǎo)體光電二極管具有內(nèi)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(jié)在接近擊穿時的光電流倍增現(xiàn)象。1955年，S.L.密勒指出在突變PN結(jié)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(jīng)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(zhì)及注入載流子的類型有關(guān)的指數(shù)。當(dāng)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(jié)在任何小的局部區(qū)域的提前擊穿都會使二極管的使用受到限制，因而只有當(dāng)一個實際的器件在整個PN結(jié)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(tài)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(tài)的、高度均勻的半導(dǎo)體光電二極管。
雪崩二極管的發(fā)展
1965年，K.M.約翰遜及L.K.安德森等分別報道了在微波頻率下仍然具有相當(dāng)高光電流增益的、均勻擊穿的半導(dǎo)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(tài)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(dǎo)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(qū)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絕對理想的。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(nèi)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(dǎo)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(xiàn)(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(dāng)復(fù)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(shù)。F或x是雪崩光電二極管的重要參數(shù)。
由于F大于1，并隨嚔的增加而增加，因而只有當(dāng)一個接收系統(tǒng)（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(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)的探測性能獲得改善；相反，當(dāng)系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)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(shè)計器件結(jié)構(gòu)。
淺談雪崩光電二極管在測距起到的作用
1.引言
在激光干涉測距中，雪崩二極管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用，它對精度的提高有很大的影響。在激光測距中，激光從發(fā)射到接受會經(jīng)過被測目標的漫反射，同時也有路程等的損失，所以接受到的光信號非常弱，這使得檢測光信號相當(dāng)困難，接受不當(dāng)會影響到精度，所以綜合考慮，我們采用雪崩光電二極管APD。APD不同于傳統(tǒng)的光電二極管，它是建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件，它具有內(nèi)部增益和放大作用，同時響應(yīng)的速度也很快，但是要發(fā)揮它的優(yōu)勢，需要加較大的反向偏置電壓（一般在幾十到幾百伏），這樣會伴隨著有相對較大的紋波電壓，電源的紋波電壓變化范圍越大，對雪崩二極管的影響就越大，所以本文設(shè)計了一種低紋波電壓的電路。對于APD而言，溫度的變化也會嚴重影響它的增益，所以需要接入溫度補償電路來改變PN結(jié)倍增區(qū)的電場。此外，APD在倍增的過程中產(chǎn)生的附加噪聲會嚴重影響測量精度，本文對噪聲進行了分析設(shè)計了一個有效的前置放大電路，實驗表明該電路有效的提高了信噪比。將這些模塊用于激光測距的接受模塊，將會提高測量精度。
2.APD的工作原理
APD是一種P-N結(jié)型的光檢測二極管，其內(nèi)部利用載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光信號。在P-N結(jié)上加高的反向偏壓，就可以加寬耗盡層并且在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個強的內(nèi)建電場，當(dāng)電場強度增大到一定程度時，耗盡層中的光生電子空穴對就會被加速，被加速后的電子空穴獲得足夠的能量就能與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對。這種過程是連鎖反應(yīng)，這樣就會產(chǎn)生較大的二次光電流，因此APD有較高的響應(yīng)度和內(nèi)部增益，這種內(nèi)部增益提高了器件的信噪比。
3.APD溫度補償電路的設(shè)計和分析
3.1.溫度補償電路的原理分析
由于電子和空穴的電離速率取決于溫度，所以在高偏置電壓的條件下，一個小小的溫度變化就能引起增益很大的變化。為了保證溫度變化時增益變化較小，就需要變化PN結(jié)倍增區(qū)的電場，這樣就需要接入一個溫度補償電路，在溫度變化時調(diào)整光檢測器的偏置電壓。理論上可以證明，APD的增益是關(guān)于偏壓和溫度的函數(shù)，所以，當(dāng)APD的偏壓隨著溫度改變時，APD的增益就可以基本恒定，這就是APD溫度漂移的偏壓補償原理。
APD相應(yīng)的偏置電壓值就會隨溫度變化，為了保持最佳增益，需設(shè)計溫度補償電路來控制APD的偏置電壓，使APD在各種溫度下都能以最佳倍增增益工作，從而使接收系統(tǒng)獲得最大的信噪比。+APD放大電路輸出功率信噪比SNR為：
式中：M是APD的雪崩增益，為光電流，F(xiàn)為過剩噪聲系數(shù)。APD選擇適當(dāng)?shù)钠珘嚎梢允筍NR最大，此時APD對應(yīng)的增益為最佳雪崩增益，加在其上的偏壓為最佳偏壓。此時的最佳雪崩增益由下式確定：+式中，x為APD的過剩噪音指數(shù)，其大小取決于APD的結(jié)構(gòu)和材料。
3.2.偏壓溫度補償電路的設(shè)計
SPD-052型硅雪崩光電探測器是0.4～1.1+波長光信號的優(yōu)良探測器，兼?zhèn)淞烁哽`敏度、高速響應(yīng)和低噪聲三大優(yōu)點，內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)可達到120倍以上。當(dāng)溫度升高10度，雪崩電壓升高2.2～2.6V，在其內(nèi)部有一個溫度補償二極管IN941，所以我們用該溫度二極管進行偏壓補償，整個電路由三部分組成：溫度傳感、運放和可控電壓源。
3.2.1溫度傳感部分
當(dāng)內(nèi)部溫度二極管工作在恒流狀態(tài)時，其兩端的電壓和溫度具有良好的線性關(guān)系和較高的靈敏度，恒流源電路如圖3，由于運放A1的增益很高，近似有V2%3DV3，設(shè)穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值為U，則RW和R1兩端的電壓等于U，所以有流經(jīng)溫度二極管的電流I為：+因此，通過調(diào)節(jié)RW的大小，可以得到不同的恒流。
3.2.2運放部分
A1構(gòu)成跟隨器，同向端以IN941的電壓作為輸入；A2是同相放大器，調(diào)整Rw1可以設(shè)定A2在某一溫度下的輸出電壓，Rw2來調(diào)整A2的增益，同時A2的輸出作為可控電壓源的控制輸入。
3.2.3可控電壓源部分
可控電壓源采用高精度低溫漂可控高壓電源模塊，其中，%2BV為直流電壓輸入端；Control為調(diào)整端，接運放A2的輸出端；V0為輸出端，為APD提供偏置電壓，其中K1，K2為倍壓常數(shù)，Vc為Control端輸入電壓。實驗表明，該電源輸出范圍270～440V，輸出電壓穩(wěn)定性小于0.05%25，溫度系數(shù)每攝氏度小于0.02%25，符合APD的使用要求
4低紋波的反向偏置電壓的設(shè)計
穩(wěn)定電源一般包括整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三部分。整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，但是其中仍然含有大量的交流電成分，此時加入濾波電路來濾掉交流部分，但是輸出電壓中仍然含有一定的脈動交流成分，這種脈動交流成分稱為紋波電壓。
可見，當(dāng)適當(dāng)加大輸出電容的值時，可以減小輸出紋波電壓，或者采用多個電容并聯(lián)的方式來減少ERS值，但是電源體積是有限的，所以不可能無限制地增大輸出電容的值，這樣設(shè)計一個低紋波的反向偏置電路來增大增益很重要。
在本文中我們用的是共模濾波法來降低紋波電壓，在電源的輸出端加共模扼流圈，和Y電容去耦，可衰減掉電源的共模噪聲，共模扼流圈內(nèi)的寄生電感形成LC濾波，可濾掉差模紋波。共模電感連補償電路，在確保良好的濾波效果的同時，還增加了電源的穩(wěn)定性。共模扼流圈是在一個閉合磁環(huán)上，對稱繞制方向相反，匝數(shù)相同的線圈，這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻影響，當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同相性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同相的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強的阻尼效果，一次衰減共模電流，達到濾波目的。
詳解雪崩二極管靜電毀壞因素
第一種：雪崩毀壞
假如在漏極-源極間外加超出器件額定VDSS的電涌電壓，而且到達擊穿電壓V(BR)DSS （依據(jù)擊穿電流其值不同），并超出一定的能量后就發(fā)作毀壞的現(xiàn)象。在介質(zhì)負載的開關(guān)運轉(zhuǎn)斷開時產(chǎn)生的回掃電壓，或者由漏磁電感產(chǎn)生的尖峰電壓超出功率MOSFET的漏極額定耐壓并進入擊穿區(qū)而招致毀壞的形式會惹起雪崩毀壞。典型電路：
第二種：器件發(fā)熱損壞
由超出安全區(qū)域惹起發(fā)熱而招致的。發(fā)熱的緣由分為直流功率和瞬態(tài)功率兩種。直流功率緣由：外加直流功率而招致的損耗惹起的發(fā)熱
●導(dǎo)通電阻RDS(on)損耗（高溫時RDS(on)增大，招致一定電流下，功耗增加）
●由漏電流IDSS惹起的損耗（和其他損耗相比極小）瞬態(tài)功率緣由：外加單觸發(fā)脈沖
●負載短路
●開關(guān)損耗（接通、斷開） *（與溫度和工作頻率是相關(guān)的）
●內(nèi)置二極管的trr損耗（上下橋臂短路損耗）（與溫度和工作頻率是相關(guān)的）器件正常運轉(zhuǎn)時不發(fā)作的負載短路等惹起的過電流，形成瞬時部分發(fā)熱而招致毀壞。
另外，由于熱量不相配或開關(guān)頻率太高使芯片不能正常散熱時，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超出溝道溫度招致熱擊穿的毀壞。
第三種：內(nèi)置二極管毀壞
在DS端間構(gòu)成的寄生二極管運轉(zhuǎn)時，由于在Flyback時功率MOSFET的寄生雙極晶體管運轉(zhuǎn)，招致此二極管毀壞的形式。
第四種：由寄生振蕩導(dǎo)致的毀壞
此毀壞方式在并聯(lián)時特別容易發(fā)作在并聯(lián)功率MOSFET時未插入柵極電阻而直接銜接時發(fā)作的柵極寄生振蕩。高速重復(fù)接通、斷開漏極-源極電壓時，在由柵極-漏極電容Cgd(Crss)和柵極引腳電感Lg構(gòu)成的諧振電路上發(fā)作此寄生振蕩。當(dāng)諧振條件(ωL=1/ωC)成立時，在柵極-源極間外加遠遠大于驅(qū)動電壓Vgs(in)的振動電壓，由于超出柵極-源極間額定電壓招致柵極毀壞，或者接通、斷開漏極-源極間電壓時的振動電壓經(jīng)過柵極-漏極電容Cgd和Vgs波形堆疊招致正向反應(yīng)，因而可能會由于誤動作惹起振蕩毀
第五種：柵極電涌、靜電毀壞
主要有因在柵極和源極之間假如存在電壓浪涌和靜電而惹起的毀壞，即柵極過電壓毀壞和由上電狀態(tài)中靜電在GS兩端（包括裝置和和測定設(shè)備的帶電）而招致的柵極毀
結(jié)語
關(guān)于雪崩二極管的介紹就到這了，希望通過本文能讓你對雪崩二極管有更深的了解。