《雪崩光電二極管的基本理論探析》1800字

雪崩光電二極管的基本理論分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u3947雪崩光電二極管的基本理論分析綜述 1113231.1雪崩光電二極管的工作原理 1293471.2雪崩光電二極管的工作電路 251361.3雪崩光電二極管的降噪分析 2123611.3.1雪崩光電二極管噪聲產(chǎn)生分析 2324581.3.2雪崩光電二極管的降低噪聲相關(guān)措施 31.1雪崩光電二極管的工作原理APD是一類典型的光伏探測器，它主要基于內(nèi)光電效應(yīng)原理進(jìn)行工作，存在著靈敏度高與響應(yīng)及時(shí)等特點(diǎn)。APD可以近似于一類運(yùn)用在高反偏電壓下的PIN光電二極管，那么在設(shè)備兩頭電壓加壓的情況下，設(shè)備內(nèi)的內(nèi)電場強(qiáng)度也會(huì)實(shí)現(xiàn)一定的增大。處于光照環(huán)境下，如果吸收區(qū)素材的材料帶隙小于或是等于入射光子的能量，那么會(huì)促使光生載流子的產(chǎn)生。在電場的外部作用下，這些光生載流子會(huì)被引入高電場的耗盡區(qū)域，基于強(qiáng)電場的進(jìn)一步外部影響，實(shí)現(xiàn)自身的加速來收獲充沛的能量，同晶格原子之間形成碰撞，促使晶格原子，通過電離作用，獲得電子，即空穴對(duì)；全新的電子，因?yàn)樘幵趶?qiáng)電場中，而積攢了充足的能量，和晶格原子出現(xiàn)二次碰撞，緊接著形成全新的電子，即空穴對(duì)；該過程來回反復(fù)，最終獲得大批量的電子，也就是大批量的空穴對(duì)，并經(jīng)由兩端電極，完成收集，釋出后可以被檢測到宏觀電流，并且最終結(jié)果將會(huì)有所放大，進(jìn)而能用來制作光纖通信系統(tǒng)粉光探測器。如果APD工作過程中，處于蓋格模式，也就是器件兩端工作電壓高于擊穿電壓的狀態(tài)下，光生載流子在高場倍增區(qū)會(huì)出現(xiàn)自持性的碰撞以及離化，APD增益將會(huì)提升至10以上，有時(shí)還能展開單光子探測，形成單光子APD[2]。圖1APD工作原理示意圖1.2雪崩光電二極管的工作電路圖2光伏效應(yīng)等效電路由圖2可知，虛線范圍的電路，就是光電二極管其等效電路模型，主要包括結(jié)電阻Rd、普通光電二極管D、結(jié)電容Cd、光信號(hào)形成的光電源Is。1.3雪崩光電二極管的降噪分析1.3.1雪崩光電二極管噪聲產(chǎn)生分析光電探測器其噪聲源通常包括2大方面，其一是散粒噪聲，因?yàn)楣怆娞綔y器，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行接收時(shí)，所形成的噪聲，其中還囊括了信號(hào)光、背景光激發(fā)光電子所產(chǎn)生的噪聲；其二為熱噪聲，因?yàn)楣怆娞綔y器本身組成、使用條件，所引發(fā)的噪聲，譬如：光電二極管其暗電流，光電探測器自身的光反饋等等。所以，必須圍繞光電探測器其噪聲來源的不同，對(duì)其噪聲特征加以分析和研究。散粒噪聲也存在于這一光電探測器之中，散粒噪聲是因?yàn)檩^弱的光信號(hào)在抵達(dá)光電探測器光敏面上的光子來回波動(dòng)，還有結(jié)上的光生載流子流動(dòng)所形成的不連續(xù)性、隨機(jī)性，所造成結(jié)勢壘上的載流子出現(xiàn)各種不同的變化，最終統(tǒng)計(jì)規(guī)律滿足泊松分布。在這一光電探測器中，主要的散粒噪聲包括下述3種：微弱光信號(hào)其光子噪聲。光信號(hào)照在光電探測器上面，最終抵達(dá)探測器的光子數(shù)也是不確定的，所以光所激發(fā)的載流子同樣是不確定的，這就會(huì)導(dǎo)致起伏噪聲的產(chǎn)生，也就是所謂的光子散粒噪聲。環(huán)境光噪聲。光電探測器能過接收到的光信號(hào)，一般會(huì)受到相應(yīng)環(huán)境光的擾亂，且光電探測器自身所具備的高增益、高靈敏性，會(huì)使得環(huán)境光噪聲被抵消，最終可以忽略不計(jì)。暗電流散粒噪聲。暗電流即在黑暗，無一絲光照的前提下，熱激發(fā)其載流子將會(huì)產(chǎn)生光電探測器之中的暗電流。該類因光電探測器暗電流所引發(fā)的輸出信號(hào)波動(dòng)，就是所謂的暗電流散粒噪聲。熱噪聲實(shí)際上就是處于導(dǎo)體、半導(dǎo)體之間的自由電子，或者電荷載流子出現(xiàn)了隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的。觀察光電二極管其等效電路可以了解，這一光電探測器之中同樣安裝了內(nèi)阻，因此熱噪聲將無可避免。圍繞光電探測器內(nèi)部的電荷載流子其運(yùn)動(dòng)情況，展開分析可以得知，在缺少外電場的前提下，電荷載流子做出毫無規(guī)律的熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)結(jié)而言，并未形成定向遷移，因此無法檢測到電流，可是因?yàn)樵谙鄳?yīng)時(shí)間內(nèi)，流向端和端所擁有的載流子數(shù)并不一致，進(jìn)而會(huì)形成漲落電勢，引發(fā)漲落電流，這實(shí)際上就是光電二極管熱噪聲產(chǎn)生的具體原因。1.3.2雪崩光電二極管的降低噪聲相關(guān)措施針對(duì)光電二極管中存在的散粒噪聲與熱噪聲，常見的減小光劍二極管噪聲的方式包括：從光電二極管材料選取，光探頭其封裝，光電二極管具體工作模式等層面入手，減小散粒噪聲所產(chǎn)生的各種影響。此次設(shè)計(jì)，選擇了將光電探頭該部分完全的封裝進(jìn)了圓柱形外殼內(nèi)部，某種角度而言，減少了周邊環(huán)境所引發(fā)的雜散光，在具體的應(yīng)用之中，還可圍繞相應(yīng)波長的光源，選取相對(duì)應(yīng)的波長的濾波片，進(jìn)而消除干擾。對(duì)暗電流噪聲所產(chǎn)生的影響可以采取零偏置電壓的手段，這就可在缺少偏置電壓的情況前提下，抑制暗電流的形成，進(jìn)而可將該