累崩光二極體 （Avalanche Photodiodes ,APDs）

累崩光二極體 （Avalanche Photodiodes ,APDs）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

累崩光二極體因為具有高速度與內部增益，所以廣泛的被應用在光通信上。

n⁺區很薄且經過一個視窗照光，在n⁺層旁邊有三層不同摻雜濃度的p型層，用以適當的修正整個二極體的電場分佈；第一層是薄的p型層，第二層是厚的淺摻雜p型π層，而第三層是重摻雜的p⁺層。

這個二極體是逆向偏壓，以增加空乏區中的電場。在零偏壓下，p型的空乏區沒有擴展進入π層，但當外加一個足夠大的逆向偏壓時，p型的空乏區會變寬，通達到π層，因此稱為通達APD，電場由n⁺型薄的空乏層裡的正施體電荷擴展達到p⁺型薄的空乏層裡的負受體電荷。 電場可對著整個二極體經由淨空間電荷密度積分而得，此電場與外加電壓有關。

電力線由正離子開始而在負離子結束，它的存在遍及p，π和p⁺層，意謂著電場在n⁺p接面最大，然後經過p層緩緩的減少，經過π層時，電場減少的最慢，如同淨空間電荷密度在這也最小，電場在p⁺型的窄空乏層消失。而光子的吸收和光產生主要發生在寬的π層，因為這裡接近均勻的電場會把電子電洞對分離，並以接近飽和速度將電子和電洞分別往n⁺和p⁺層漂移當漂移的電子到達p層，會受到較大的電場作用，因而得到足夠的動能去撞擊電離某些共價鍵而釋放出電子電洞對。

產生的電子電洞對在此區域也會被加速到足夠大的動能，進一步產生撞擊電離而釋放出更多電子電洞，這將導致一種撞擊電離過程的累崩，此光二極體具有內部增益機制，即單一光子吸收會導致很多電子電洞對產生。而通達式APD速度與三個因素有關；第一個因素為光產生的電子越過吸收區到達累崩區所需的時間。第二個是在p區累崩過程的建立和產生電子電洞對的時間。第三個因素是在累崩程中最後一個電洞釋放至到達π區的時間，而累崩的增益可以補足速度的降低。光檢測器電路的整體速度包含了連接到光檢測器的前置放大器速度限制，而APD較不需要前置放大器，因此整體速度會快了一點。通達式APD結構的缺點之一是，n⁺p區域在照光之前，圍繞在n⁺p接面介面邊緣的高電場會導致累增崩潰。理想上，在照光區的累崩必須均勻一致而使得一次光電流的累崩能大於暗電流。在實際的矽製APD中，圍繞中央n⁺區會有一個n型摻雜區當做一個護環，使得圍繞在介面的崩潰電壓可以提高，而且累崩更被侷限在照光區(n⁺p接面)，而n⁺和p層一般都做的很薄，以降低在這個區域的吸收，讓主要的吸收發生在厚的π區。

參考資料：光電子學與光子學-原理與應用