雪崩型感光二極體 Avalanche Photodiode,APD

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1 雪崩型感光二極體 Avalanche Photodiode,APD
姓名:許智翔

2 目錄 光檢測器應用 光檢測器原理 P-N感光二極體 P-I-N感光二極體 APD結構 雪崩效應 光檢測器相關參數

3 光檢測器應用 數位相機 智慧型手機 錄影機

4 保全系統 自動照明設備 電子鼠

5 光檢測器原理 光子 電子 光訊號 電訊號 感光二極體

6 P-N感光二極體 光 光電流 電訊號 Ｐ N _ _ + + + ─ + _ + + ─ ─ _ _ + + _ + + ─ + ─ ─ _
當光子照射到二極體空乏區，所產生之電子電洞對受到的電力相反，致使電子電洞分開，因而形成光電流，外界再接一個電流放大器即可準確量測光電流，電流大小和吸收的光子數目成正比。 光二極體偵測器的靈敏度遠較光導體高。 光二極體材料的選擇須使光子大於能隙Eg。 接面或空乏層電容不小，受RC時間常數的限制，使其無法在高調變頻率做光檢測。 空乏區寬度很薄，在長波長時，穿透深度大於空乏區寬度，大部份的光子在空乏區之外被吸收，沒有電場來分離電子電洞對。 電訊號

7 P-I-N感光二極體 + _ ─ P + N + I 光

8 APD結構 N + P I P + 電荷分佈 + _

9 APD結構 電荷分佈 + _ 電場 + _

10 雪崩效應 E

11 雪崩效應 E

12 光檢測器相關參數 量子效率 響應度 靈敏度 響應時間 截止波長 暗電流

13 𝜂= 𝐼 𝑝ℎ 𝑞 𝑃 𝑖𝑛 ℎ𝑣 量子效率 在一定的光波長照射下，光檢測器的輸出電流功率與 入射光功率的比值，就是量子效率，表示方法如下：
𝜂= 𝐼 𝑝ℎ 𝑞 𝑃 𝑖𝑛 ℎ𝑣 Iph:照光後光電流 Q基本電荷 Pin 入射光子能量 Hv 一個光子能量 hh:普朗克常數(6.625x10的負34j) V 入射光波長(v=c/入)

14 R= I ph P inc = 𝜂q ℎ𝜈 = 𝜂𝜆[𝜇𝓂] 1.24 ( A W )
響應度 罩設在檢測器的每瓦的光功率，能夠轉換為多少的光 電流，此稱為響應度。 R= I ph P inc = 𝜂q ℎ𝜈 = 𝜂𝜆[𝜇𝓂] 1.24 ( A W ) 響應度(responsibility) R:響應度 n:量子效率 q:基本電荷1.6x10的負19C h:普朗克常數(6.625x10的負34j) v:入射光波長(v=c/入) c:真空中光速(3X10的10次方cm/s)

15 靈敏度 精密的檢測器在吸收指定的光的波長時需要很高的靈 敏度，靈敏度越高感測波長就會越準確。 𝐷 ∗ =R ( 𝑅 0 𝐴 4𝑘𝑇 ) 1 2 R:響應度(responsibility) R0:零偏壓下電阻 A:檢測器面積 K:波茲曼常數(1.38X10的負23)J/K(R/N) T:凱氏絕對溫度(273度+攝氏溫度)

16 響應時間 是指二極體接收到入射光到產生電流轉換為電壓所需 要的時間。 電壓 電壓 時間 時間 上升時間 1、耗盡區的光載流子的渡越時間；
   2、耗盡區外產生的光載流子的擴散時間；     3、光電二極管以及與其相關的電路的RC時間常數。        影響這三個因素的參數有：耗盡區寬度w、吸收係數as、等效電容、等效電阻等。 時間 上升時間 時間

17 響應時間 實際測量響應時間

18 𝜆c= 1.24 𝐸 𝑔 (𝜇𝑚) 截止波長 入射光子能量若小於能隙，光子不被檢測器所吸收， 而此波長就稱為截止波長。 𝜆c 截止波長
Eg 能隙

19 暗電流 光檢測器在一個無光環境中，內部還是會有電流存在， 這個情況就是因為熱所產生的少數載子引起的反向飽 和電流，這種電流會使光檢測器產生多餘的雜訊。

20 不同產品材料的APD 參數 單位 Si Ge GaInP 響應頻寬 nm 400~1100 800~1800 900~1700 量子效率 %
77 55~75 60~70 增益 倍數 100~500 50~200 10~40 暗電流 nA 0.1~1.0 10~500 1~5 上升時間 ns 0.1~2.0 0.5~0.8 0.1~0.5 頻寬 GHz 0.2~1.0 0.4~0.7 1.5~3.5

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