APD雪崩光电二极管的使用方法及核心信息讲解

APD雪崩光电二极管是一种常见的光电探测器，它因相比PD光电二极管具有更高微光探测能力(更高的增益)，相比PMT光电倍增管具有更低的价格，而被广泛用于测距/医疗等行业。

这篇文章主要对APD雪崩光电二极管的一些核心信息进行讲解，同时与其它一些比较相似的器件，如PIN光电二极管/MPPC(SiPM，硅光电倍增管)/PMT光电倍增管，做一下区别分析，以及使用优势和使用方法的说明。

一，APD雪崩光电二极管与其它几种探测器的区别

1，APD雪崩光电二极管的引脚介绍

APD雪崩光电二极管引脚中的case/NC和KC代表什么意思呢?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(共阴极)的意思。

这个引脚的定义，对滨松所有TO封装的器件都适用。

2，APD雪崩光电二极管和PIN光电二极管

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雪崩光电二极管有一个内增益系数，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。也就是说，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管都能进行高速探测，但是PIN光电二极管能探测的微光下限受到负载电阻热噪声和放大噪声决定的影响，APD雪崩光电二极管能探测更低噪声的光信号。

APD雪崩光电二极管的增益系数是指，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。

另外再讲解一下脉冲光峰值功率和平均功率的关系，见下面公式：

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。

3，APD雪崩光电二极管与SiPM硅光电倍增管像素中的APD的区别

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

4，APD雪崩光电二极管与PMT光电倍增管的区别

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。

二，APD雪崩光电二极管的使用方法

1，如何确定APD雪崩光电二极管的最佳增益水平

关于如何确定APD雪崩光电二极管的最佳增益，需要结合整个系统来分析，即实现系统中最大的信噪比。

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是和增益无关的，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。

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/℃。

2，关于APD雪崩光电二极管的感光面

关于APD雪崩光电二极管的感光面积，由于在增加APD感光面积的过程中，会造成不同感光区域增益系数有差别，因此需要有一些特殊的处理技术来获得统一的增益系数。目前，APD的光敏面积可以达到10×10mm(S8664-1010)。

所以，目前滨松量产的APD型号，边缘与中心区域的增益基本没有差别。在边沿10um处有些许增益下降情况，但是边缘处的下降原因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。

如何测量APD增益的一致性呢?以S14512为例，在增益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：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。测试结果如下图：

很多型号APD的感光面比较小，如果光斑面积大于APD的感光面积，会不会有影响呢?

答案是会。当光斑面积大于APD的感光面积时，有可能会产生信号拖尾现象。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。

3，APD雪崩光电二极管的探测上限和下限

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

APD的等效噪声功率(NEP)公式：

以S2381型(低偏压工作)近红外APD为例，其典型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：

4，APD雪崩光电二极管增益与温度的关系

APD雪崩光电二极管的工作原理是，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。

那么，当温度变化时，怎样才能保持恒定的增益?正常的操作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。

对于低偏压型和低温度系数型APD，在使用相同封装的条件下，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℃。

如果希望得到最优的散热效果，如何设计热沉?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。

5，APD雪崩光电二极管增益与光波长的关系

不同波长的光子入射深度不一样，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。

6，APD雪崩光电二极管的击穿电压

APD的击穿电压定义为暗电流达到100uA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，达到200uA左右后，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。

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。

在等效电路中，Rs，Rj和Cj的值如何设置。以S14645-05为例，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。

三，注意事项

大功率激光脉冲入射，会造成APD出现脉冲响应饱和的现象。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。

APD的饱和脉冲波形，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。

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。

审核编辑 黄宇