APD彩页参数解释_滨松光子学商贸(中国)有限公司

APD彩页参数解释

以下是APD的彩页参数解释。

1. 光谱响应范围（ Spectral response range ）            2. 峰值灵敏度波长（ Peak sensitivity wavelength ）
3. 光灵敏度（ S，Photosensity ）                                4. 量子效率（ QE，Quantum efficiency ）
5. 击穿电压（ V_BR, Breakdown voltage ）                     6. 击穿电压温度系数（ Temperature coefficient of V_BR ）
7. 暗电流（ I_D, Dark current ）                                    8. 暗电流温度系数（ Temperature coefficient of I_D）
9. 截止频率（ f_c，Cutoff frequency ）                          10. 终端电容（ C_t ） & 结电容（ C_j ）
11. 过剩噪声指数（ X，Excess noise figure ）             12. 增益（ G，Gain ）

# 光谱响应范围（ Spectral response range ）

短波下限取决于窗材透过率，长波上限取决于本征材料特性。

硅酸硼玻璃和塑料树脂窗材吸收短波，对于波长300 nm以下有探测需求的，选择石英窗材。

硅在常温下的带隙能为1.24 eV。λ_c=1240/E_g (nm)，E_g：带隙能。因此，长波上限约在1100 nm附近

# 峰值灵敏度波长（ Peak sensitivity wavelength ）

光谱响应中，灵敏度最大值所在的波长。一般来讲选择与待测光波段附近的峰值灵敏度波长，信号输出更大。

# 光灵敏度（ S，Photosensity ）

光灵敏度（单位：A/W）为光电流（单位：A）与特定波长入射光辐射能通量（单位：W）的比值。

光灵敏度的大小受温度，波长，增益的影响。增益为1可以理解为不加偏压，在波长为900 nm，温度为25℃的条件下，光灵敏度为0.5 A/W。如果加上偏压，如增益为100，则灵敏度为50 A/W。

# 量子效率（ QE，Quantum efficiency ）

量子效率定义为特定波长的光照下，最终形成光电流的电子（或空穴）数目占总入射光子的百分比。单位一般为 %。
由于不同波长的光子能量不同，QE与光灵敏度（ Photosensitivity ）的换算公式为:

# 击穿电压（ V_BR, Breakdown voltage ）

击穿电压的定义是暗电流为100 uA的情况下，反向偏压的大小。

暗电流在击穿电压附近会快速上升，APD一般在击穿电压以下几伏工作，但不代表反向偏压只要超过击穿电压就一定会损坏。以S14645-05为例，反向偏压超过击穿电压后，例如暗电流达到200 uA，然后降低偏压，APD未损伤。

# 击穿电压温度系数（ Temperature coefficient of V_BR ）

温度会影响击穿电压的大小，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，为了进一步提高载流子的电离率，需要更大的电场去加速，宏观上显示出来的，就是击穿电压变大

以S14645-05为例，温度每升高1℃，击穿电压升高1.1V。考虑到有些探测器需要应用在野外，温度变化较大，从而影响探测器的信号输出大小，此时，通过参考击穿电压温度系数，温度每升高1℃，相应的反向偏压也升高1.1V，让击穿电压和反向偏压的差值保持不变，从而稳定探测器的增益及信号输出大小。

# 暗电流（ I_D, Dark current ）

当电路中加上了反向电压（ V_R ）时，会一直有电流通过APD，这个电流甚至在APD不感光时也依然存在，所以称之为暗电流。

影响暗电流大小的有两个因素，一个是反向电压，一个是温度。

但暗电流本身不是噪声，暗电流的不确定性（其实就是来自暗电流的散粒噪声）才是噪声。举个具体的例子，假设暗电流为100 pA，实际的暗电流则是会在100 pA左右波动，这一时刻可能是97 pA，下一时刻又变成101 pA，这个不确定性的绝对量会随着暗电流的变大而变大，所以暗电流越大，APD的噪声就越大。

APD暗电流来自氧化膜界面的表面漏电流（ I_ds ）和衬底内部产生的电流（ I_dg ）组成。会经过雪崩层从而有M倍的增益放大。

M=100这个条件指的是环境温度25 ℃，给定一束波长为900 nm的光束，某个偏压值测量的光电流与无偏压条件测量的光电流的比例为100。M=100这个条件目的就是为了确定这个反向偏压值，再回到暗环境，设置这个反向电压值，得到暗电流大小。

# 暗电流温度系数（ Temperature coefficient of I_D）

温度会影响暗电流的大小，温度越高，暗电流越大。

以S14645-05为例，温度每升高1℃，暗电流变大为1.1倍。从这个参数上也可以看出，暗电流随温度的变化是指数上升的，因此暗电流的温度系数的单位是times/℃，而不是A/℃。

# 截止频率（ f_c，Cutoff frequency）

当APD接收到激光二极管等发射的正弦调制光波时，其截止频率f_c定义为APD的输出（电流或电压）相比于100%输出下降3 dB时的频率。截止频率（ f_c ）与上升时间（ tr ）的换算公式为：tr（ns）=0.35 / f_c（GHz）。

以S14645-05为例，测试条件为，温度25 ℃，增益为100，负载电阻为50 Ω，光源波长900 nm的条件下，光功率下降一半（-3 dB）时的频率为600 MHz。

# 终端电容（ C_t ） & 结电容（ C_j ）

由于耗尽层的存在，APD的PN结中会形成一个等效电容，称作结电容（ C_j ）。终端电容（ C_t ）包含了结电容（ C_j ）和封装时所产生的寄生电容（Package stray capacitance），是一个更加实用的数据。一般说来，终端电容（ C_t ）越大，响应速度越慢——通俗地理解，电容大了，充放电时间变长，最终影响APD输出信号的时效性。

以S14645-05为例，测试条件为温度25 ℃，增益为100，光源调制频率为1 MHz的条件下，终端电容为1 pF。

# 过剩噪声指数（ X，Excess noise figure ）

过剩噪声指数用于近似计算APD的散粒噪声，进一步可以计算APD的信噪比，等效噪声功率等。只要反向电压恒定，APD增益就是每个载流子倍增的平均数。但是电离率不均匀，存在统计浮动，由此在倍增过程中会引入倍增噪声（即过剩噪声）。

对于电子而言，倍增噪声系数（ F，也叫倍增噪声因子）为：

其中k为空穴的电离率（β）与电子的电离率（α）的比值称作电离率比（k（=β/α））。对于空穴则替换为1/k。

过剩噪声随着增益的升高而变大，如下图所示：

从中可以看出过剩噪声系数和增益相关，受波长和APD结构影响，并近似看出过剩噪声系数和增益是指数关系，因此，引入过剩噪声指数（X），过剩噪声系数（F）近似表达为：F=M^X

有了过剩噪声系数，进一步就可以计算APD的散粒噪声：

# 增益（ G，Gain ）

初级电子空穴对在内电场中加速，加速过程中碰撞晶格产生新的电子空穴对，由此单个光子信号结束后产生的电子空穴对的均值即为增益。

影响增益的因素有反向电压，温度，波长，如下图所示：

M=100，这个条件具体指的是环境温度25 ℃，给定一束波长为900 nm的光束，某个偏压值测量的光电流与无偏压条件测量的光电流的比例为100。

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