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【FAQ】APD


# 基础相关


        Q1. APD与光电倍增管有什么区别?


        Q2. APD与PIN光电二极管有什么区别?


        Q3. 同样是基于雪崩倍增原理,常规APD与MPPC像素中的APD之间有什么不同? 


        Q4. 脉冲光峰值功率和平均功率的关系? 


        Q5. 二极管的引脚示意图中,case,NC和KC都代表什么意思? 


# 参数相关(灵敏度、测量范围、温度及其他)


        Q1. APD的倍增系数(增益)的定义是什么? 


        Q2. APD适合工作在哪个增益水平下?  


        Q3. 不同波长下,APD的增益是否稳定不变? 


        Q4. 一定光量条件下,APD模块的输出如何估算?


        Q5. APD可以有较大的光敏区域吗?


        Q6. APD光斑大于感光面会有什么后果?


        Q7. APD光敏面上,边缘与中心区域的增益是否完全一致?


        Q8. 增益一致性的测试方法和条件是什么?


        Q9. APD的工作上限是多少?


        Q10. APD的等效噪声功率(NEP)如何计算?


        Q11. APD的探测下限是多少?


        Q12. 为什么温度升高,APD的增益会下降?


        Q13. 当温度变化时,怎样才能保持恒定的增益?


        Q14. 为什么暗电流随温度的变化在对数坐标下是线性的?


        Q15. 为什么低偏压和低温度系数型的近红外硅APD有不同的工作低温极限?


        Q16. 为APD使用时如果希望得到最优的散热效果,如何设计热沉?


        Q17. APD电压超过击穿电压之后会怎么样?


        Q18. APD可以按照击穿电压分类吗?


        Q19. APD的等效电路中Rs,Rj和Cj的值分别为多少?


# APD裸片相关


        Q1. APD裸片的Resposivity是实测数据吗?加封装后的Sensitivity如何?


        Q2. APD裸片对应的标准品可靠性报告中Vr的设置是如何选择该值的?为何选择11个样品?加封装后的Sensitivity如何?为什么裸片不可以进行可靠性测试?


        Q3. S14645-05 APD裸片的1~7分别为什么物质组成?在封装裸片时需要考虑什么影响?绿色斜纹的钝化层由什么组成?S14645树脂塑料封装能过车规么?


        Q4. APD裸片的目检标准是什么?


        Q5. APD裸片是否有车规标准?


# InGaAs相关


        Q1. 目前滨松可以提供的InGaAs APD最大光敏面?


        Q2. G8931-20的增益可以达到多少?


        Q3. InGaAs APD和Si APD一样在突然出现强脉冲光时会出现损坏,损坏的原因是什么?MPPC是否会出现窄脉冲强光信号损坏的情况?


        Q4. InGaAs APD新型号的结电容比老型号稍高,是否有计划减小结电容?


# 其他问题


        Q1. 有哪几种类型的APD阵列器件?


        Q2. S14138的开关速度是多少?功耗大概在什么水平?


        Q3. (带有905 nm BPF(带通滤光片)的S14645系列APD,BPF的温度变化特性?


        Q4. APD由于大功率激光脉冲入射而出现脉冲响应饱和的实验现象,影响APD(S14645-05B)饱和延时主要因素是什么?有没有相应的量化指标和减少方法?


        Q5. (1) 有关APD的饱和脉冲波形问题;(2)是滤光片上的异物问题?




# 基础相关


Q1. APD与光电倍增管有什么区别?


APD是半导体器件,与光电倍增管相比有更高的量子效率。APD可以被做成很小的尺寸,不易受磁场的影响,并且具有较宽的动态范围。但是,APD有一些劣势,比如较大的噪声,较低的倍增因子,因此当探测极弱的光,光电倍增管有很大的优势。


Q2. APD与PIN光电二极管有什么区别?


PIN光电二极管的探测下限由负载电阻热噪声和放大噪声决定。APD有一个内增益系数,可以将信号放大到很大级别而超过热噪声,可以用来高速和低噪声光探测。


Q3. 同样是基于雪崩倍增原理,常规APD与MPPC像素中的APD之间有什么不同?


从PN结的结构来说,MPPC中的SPAD和普通的APD是一样的。但是,MPPC中的SPAD掺杂浓度比普通的APD高很多,所以很小的电压即可实现SPAD在盖革模式下工作,主要区别整理如下表:


Q4. 脉冲光峰值功率和平均功率的关系?


Ppeak = Pavg/(freq*脉宽) 其中,Ppeak代表峰值功率,Pavg代表平均功率,freq代表脉冲光频率。


Q5. 二极管的引脚示意图中,case,NC和KC都代表什么意思?


Case代表的是外壳,一般TO封装的器件外面都有金属壳包裹,能够屏蔽电磁干扰;NC代表NOT CONNECTED,表示此引脚不做连接。我们用K代表Cathode,K来源于德语的Kathode。所以KC就是cathode common的意思。


# 参数相关(灵敏度、测量范围、温度及其他)


Q1. APD的倍增系数(增益)的定义是什么?


APD的增益是高偏置电压下的(倍增后的)光电流与无偏置电压下(无倍增的)光电流之比。


Q2. APD适合工作在哪个增益水平下?


系统应最大化信噪比,随着增益的增加,信号电流被放大,虽然信号和暗电流的散粒噪声也会被放大,但是由于电阻的热噪声和是增益无关的,所以系统中必定存在一个最佳信噪比,直到散粒噪声达到热噪声的程度,系统的信噪比会达到最大。理论推导的最佳增益可以用以下公式计算,这里需要注意的是,暗电流会随着电压的增加而增加,实际使用过程中,增益控制在几十的范围内比较合适。


Q3. 不同波长下,APD的增益是否稳定不变?


不同波长的光子的入射深度不一样,波长更长的,入射深度更深。当载流子通过PN结附近的高电场时会发生雪崩倍增。对硅来说,硅的电子电离率高。


APD增益还与它的结构有关,雪崩层在PN结前面的区域中,当入射光波长较长,能够达到比雪崩层更深处时,可以得到满意的增益特性。所以说,APD结构决定了能够获得满意增益的波长。


Q4. 一定光量条件下,APD模块的输出如何估算?


可以通过以下公式预估:


Q5. APD可以有较大的光敏区域吗?


为了制作大区域的硅APD,需要有一些特殊的处理技术来获得统一的增益系数。目前,光敏区达到10×10 mm(S8664-1010)。


Q6. APD光斑大于感光面会有什么后果?


如果APD的光斑大于感光面有可能产生信号拖尾现象。图中蓝色部分为感光面,红色部分为外部电极和内环电极之间的部分。如果光斑打在红色部分则会产生拖尾慢信号。


Q7. APD光敏面上,边缘与中心区域的增益是否完全一致?


以封装后的S14645-05(φ0.5 mm, 1 ch)为例: 边缘与中心基本没有差别,在边沿10 um处有些许增益下降情况,但是边缘处的下降情况是由于测试的光斑无法再继续减小光斑尺寸,有部分光已打在感光面外面所致,此现象在M=1时的图中较为明显。


Q8.增益一致性的测试方法和条件是什么?


S14512在M=50时,使用点光源在APD感光面移动,测试APD的输出信号。 测试条件如下:光源波长: 830nm;输入光功率: 约为200nW,连续光;点光源大小: φ=5µm(半高宽);使用830 nm 或 905 nm波长的光不会影响增益一致性的测试结果。


Q9. APD的工作上限是多少?


一般APD输出电流在200uA以上之后,线性度会下降,同时如果光斑较小,电流密度较大,这会导致200uA之前,线性度就会有所下降。


Q10. APD的等效噪声功率(NEP)如何计算?



Q11. APD的探测下限是多少?


S2381型近红外APD(低偏压工作)的典型NEP(噪声等效功率)大概为5×10-16W/Hz1/2。 探测下限还和探测器带宽有关,参考以下公式:


Q12. 为什么温度升高,APD的增益会下降?


APD指的是雪崩光电二极管,它工作在击穿电压以下,当光子入射到APD光敏区域时,会有一定的概率产生电子空穴对,这些电子空穴对在电场的作用下加速向两极移动,移动过程中会碰撞晶格,速度较大的载流子碰撞晶格会产生新的电子空穴对。
当温度升高的时候,晶格振动会变大,这就导致一些速度不够快的载流子碰撞到晶格的概率增加,载流子的能量不足以碰撞出新的电子空穴对,反而可能损失了一部分动能,使得新生的电子空穴对减少,最后就造成了增益的下降。


Q13. 当温度变化时,怎样才能保持恒定的增益?


正常的技术是根据温度的变化来控制APD的反向偏压,从而保持恒定的增益。例如已知APD的击穿电压的温度系数为1.1 V/℃,那么温度每升高1 ℃,反向偏压相应升高1.1 V。


Q14. 为什么暗电流随温度的变化在对数坐标下是线性的?


如下公式,因为暗电流随温度的变化是指数上升的,两边取对数可得,暗电流的对数与温度成正比,此外暗电流的温度系数的单位是 times/℃,而不是 A/℃。


Q15. 为什么低偏压和低温度系数型的近红外硅APD有不同的工作低温极限?


低偏压型和低温度系数型使用相同的封装。但是,由于低偏压工作型有较大的温度系数,在低温下工作时电容变得很大引起响应速度的变慢,因此工作低温的极限是-20℃。


Q16. APD使用时如果希望得到最优的散热效果,如何设计热沉?


我们以常用的TO封装S12023举例。假设APD固定在基板上,基板温度25 ℃,功耗0.1 W,从下图可以看到内部导热路径由芯片到管基再到基板。因此在设计散热夹具或控温夹具时,比较好的是贴近管基。


Q17. APD电压超过击穿电压之后会怎么样?


APD的击穿电压定义为暗电流达到100 uA时候的反向电压,APD在击穿电压附近,电流迅速上升,略微超过击穿电压后,电流继续上升,如200 uA左右,线性度会有所恶化,但这还不会对器件产生不可逆的损害,及时将电压降低后,可继续正常工作,一般APD推荐在击穿电压以下几伏工作。


Q18. APD可以按照击穿电压分类吗?


S12023-02/-05/-10/-10A,S12086以及S3884近红外型APD(低偏置电压工作)属于标准产品,可分为三种电压等级:80-120V,120-160V,160-200V。


Q19. APD的等效电路中Rs,Rj和Cj的值分别为多少?


对于S14645-05来说,在增益M=50时,25 ℃ 的温度下。 Cj = 0.95 pF ,Rs = 3 Ω,Rj = 2G Ω 。由于结电容等数值与温度、反向偏压相关,所以增益和工作电压需要确定后才可以得到参考数值。


# APD裸片相关


Q1. APD裸片的Resposivity是实测数据吗?加封装后的Sensitivity如何?


以S12926-02B(φ0.2 mm, 1 ch)裸片和封装后的S12926为例: 裸片Spec中给提供的0.52 A/W(900 nm,M=1)为裸片Resposivity测试值,以S12926为例,加环氧树脂窗后约6%的光会反射,封装后灵敏度下降至0.49 A/W。


Q2. APD裸片对应的标准品可靠性报告中Vr的设置是如何选择该值的?为何选择11个样品?加封装后的Sensitivity如何?为什么裸片不可以进行可靠性测试?


以S14645-02B(φ0.2mm, 1ch)裸片和封装后的S14645-02为例:


(1)Vr的设置选择为在对应测试温度下M=100时的反偏电压值;
(2)我们的标准按照LTPD20%, CL90%进行标准设定;


***知识点*** 在光器件的可靠性验证实验中,常见的抽样数量时11或者22个。如果11个样品都通过测试,代表什么样的失效水平呢? 可靠性验证实验的抽样计划是基于LTPD(Lot Tolerance Percent Defective, or Maximum Percent Defective)的,可以参考MIL-PRF-38535E,下表是从GR-468截取出来的,如表所示,如果11个样品失效数为0,对应的LTPD为20%,这里还有个隐含的90%的置信度( ConfidenceLevel )。完整的含义是:如果抽样的数量是11个,完成指定的实验后失效数位0,那么我们有90%的信心说产品通过指定的实验项目的失效比例小于20%。


(3)由于可靠性测试中涉及85%湿度测试,裸片无法单独在高湿度条件下进行测试,另外环境中的灰尘和杂质都可能造成测试结果的失效,因此滨松可靠性测试只有封装产品的测试。


Q3. S14645-05 APD裸片的1~7分别为什么物质组成?在封装裸片时需要考虑什么影响?绿色斜纹的钝化层由什么组成?S14645树脂塑料封装能过车规么?


首先先了解这7部分表面物质的构成:
1、3个阳极Pad,材料为厚度1.1 um的铝,主要进行金线球焊;
2、表面为Si3N4钝化层的感光面 1个阴极Pad,材料为厚度1.1 um;
3、1个阴极Pad,材料为厚度1.1 um的铝,主要进行金线球焊;

4、和7、 这两处虽然为交界区域但没有任何缝隙或材料外漏;
5、 硅表面;
6、背面阳极,金/镍/钛层,表面为0.1 um厚度的金,主要进行银浆焊接,绿色斜线部分的钝化层为SiO2


SiN虽然已经具备了抗湿度能力,但是在金线键合(bonding)后阴极和阳极焊盘仍然需要保护,否则容易在高压电源的作用下产生腐蚀和漏电现象。在没有光窗材料覆盖的情况下,仅测试bonding后的芯片的双85可靠性测试结果,发现在约100小时后就出现暗电流增大的情况,不满足可靠性测试要求。而在低氯元素环氧树脂或硅树脂覆盖后可满足1000小时的可靠性测试。
目前S14645-05已经进行了如下主项的测试:

 - High temperature operation: 100 degree, M=100, 1000h 11pcs ;

- High temperature and high humidity: 85 degree, 85%, M=100, 1000h 11pcs ;

- Temperature cycle: -40 to 100 degree, 1000c 11pcs - ESD(HBM): ±1kV 3times 11 pcs。
然而由于AEC-Q102中还有很多的循环测试条件,因此如果客户需要哪些条件需要客户提出。


Q4. APD裸片的目检标准是什么?


大于30 um的异物或沾污会被判定为NG产品。


Q5. APD裸片是否有车规标准?


APD裸片不存在车规标准,也没有过车规的能力,只有在封装之后的器件才有过车规的可能。由于APD本身为高压器件,且绑线的焊盘在外,直接接触潮湿空气很容易发生表面钝化层击穿或电化学腐蚀。采用了特殊硅树脂的封装器件目前证明有耐高温、小体积、低成本等优势,已经验证可以通过车规标准。


# InGaAs相关


Q1. 目前滨松可以提供的InGaAs APD最大光敏面?


目前我们能提供的InGaAs APD最大光敏面尺寸为φ0.2 mm,如果需要做更大光敏面的InGaAs APD,我们还需要提升光敏面不同区域的一致性。


Q2. G8931-20的增益可以达到多少?


在InGaAs APD的datasheet 典型增益值M一般在30,然而在实际使用中需要找到一个信噪比合适的增益,G8931-20合适的增益在20倍左右,继续增加增益暗电流迅速上升。 新的InGaAs APD在暗电流方面的表现对比G8931-20提升了不少,可以参考此型号G14858-0020的暗电流、光电流、增益 vs 反偏电压图。


Q3. InGaAs APD和Si APD一样在突然出现强脉冲光时会出现损坏,损坏的原因是什么?MPPC是否会出现窄脉冲强光信号损坏的情况?


在直流光入射情况下,即使mW的光也不会对器件造成损坏,且此时限流电阻可以起到限流的作用,然而由于旁路电容和寄生电容的存在,此时突然出现的窄脉宽强光会使电容中的电荷不经过限流电阻流向器件,从而造成器件的损坏,在APD阵列附近连接去耦电容可以提高一些APD抗强脉冲光寿命,另外MPPC也不能保证不发生这样的情况,出现的概率可能会稍低一点儿。


Q4. InGaAs APD新型号的结电容比老型号稍高,是否有计划减小结电容?


由于器件结构变化,G14858-0020的结电容稍高于G8931-20,现阶段我们没有继续减小结电容的计划。


# 其他问题


Q1. 有哪几种类型的APD阵列器件?


我们处理的APD订单需要特殊的光敏区域尺寸、轮廓、增益变化和象元间隙等等。作为标准产品,我们提供S8550-02(4×8象元阵列)等产品。


Q2. S14138的开关速度是多少?功耗大概在什么水平?


在负载为0.5nF+50 Ω的条件下,切换噪声+/-10 mV的稳定时间在100 ns左右,该时间与负载的关系很大,本身ASIC内部的切换时间低于100 ns。 如果减小0.5 nF电容,则可以减短切换稳定时间。 整个S14138的ASIC(TIA+SW+buffer)的功耗在500 mW左右。


Q3. 带有905 nm BPF(带通滤光片)的S14645系列APD,BPF的温度变化特性?


BPF的温度变化特性如下图所示:


Q4. APD由于大功率激光脉冲入射而出现脉冲响应饱和的实验现象,影响APD(S14645-05B)饱和延时主要因素是什么?有没有相应的量化指标和减少方法?


脉冲光入射导致的APD饱和会出现下降沿延长等问题,该问题与本身APD的材料结构相关,通过外部电路没有很好的办法可以改善(如限流、改变负载大小等等),因此实际使用时最好可以限制回波脉冲光的强度。 目前饱和加宽问题较好的APD是S9251,但是与S14645相比Vbr增加,Vbr的温度系数增加,响应速度变慢。 我们有计划基于S14645改善饱和后脉宽加宽这一现象,但是需要大概一年以上的时间,并且Vbr的分布会变大,会影响阵列产品的Vbr一致性,这个我们还需要权衡是否有必要改善。


Q5. (1) 有关APD的饱和脉冲波形问题;(2)是滤光片上的异物问题?


(1)APD的饱和脉冲波形问题:从产生的原理上分析是由于等效串联电阻的阻值变化引起的,在有电流流过时,等效串联电阻的阻值上升,使加在APD上的Vr值下降,之后电流下降Vr值又升高。这种变化的串联电阻现象有可能是芯片背侧没有完全接触导致。
(2)滤光片上异物(薄膜)问题:APD本身不会产生和释放任何物质或气体,可能该层物质只和滤光片有关,也有一点儿的可能性是树脂(die bonding时)或胶水(粘合玻璃等)会释放一些气体粘附在滤波片上。


# 相关工程师


 

 

 


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