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行講解，同時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載電阻熱噪聲和放大噪聲決定。APD雪崩光電二極管有一個內(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行高速探測，但是PIN光電二極管能探測的微光下限受到負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)合整個系統(tǒng)來分析，即實現(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)中必定存在一個最佳信噪比，直到散粒噪聲達到熱噪聲的程度，系統(tǒng)的信噪比會達到最大。

理論推導的最佳增益可以用以下公式計算：

這里需要注意的是，暗電流會隨著電壓的增加而增加，實際使用過程中，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)坐標下是線性的。如下公式，因為暗電流隨溫度的變化是指數(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，使用點光源在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。當光斑面積大于APD的感光面積時，有可能會產(chǎn)生信號拖尾現(xiàn)象。圖中藍色部分為感光面，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。同時如果光斑較小，電流密度較大，這會導致輸出電流在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，當光子入射到APD光敏區(qū)域時，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。

當溫度升高的時候，晶格振動會變大，這就導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，當溫度變化時，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，電容變得很大，引起響應速度的變慢，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，如何設計熱沉?以常用的TO封裝S12023舉例。假設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)部導熱路徑由芯片到管基再到基板。因此在設計散熱夾具或控溫夾具時，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。當載流子通過PN結(jié)附近的高電場時會發(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，當入射光波長較長，能夠達到比雪崩層更深處時，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到100uA時候的反向電壓。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)屬于標準產(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的值如何設置。以S14645-05為例，在增益M=50時，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

大功率激光脈沖入射，會造成APD出現(xiàn)脈沖響應飽和的現(xiàn)象。脈沖光入射導致的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、改變負載大小等等)，因此實際使用時最好可以限制回波脈沖光的強度。

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，響應速度變慢。 我們有計劃基于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，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)，也有一點兒的可能性是樹脂(die bonding時)或膠水(粘合玻璃等)會釋放一些氣體粘附在濾波片上。

審核編輯 黃宇