APD雪崩光电二极管是一种常用的光电器件，它能产生增益，因此相比PD光电二极管能探测更微弱的光。为方便选择更合适的APD雪崩光电二极管，本文将教大家如何看懂APD雪崩光电二极管的各项参数。同时，还会讲解如何测量APD雪崩光电二极管的增益。

以S14645-02和S14645-05为例，下图为这两个型号的参数表：

我们将按照最左侧的参数（Parameter项），从上往下依次讲解。

一，Spectral response range---光谱响应范围

从字面意思上就可以看出，该项参数是表示APD雪崩光电二极管的光谱响应范围，即可以测量什么波长范围内的光。

具体来说，APD雪崩光电二极管的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。

以硅酸硼玻璃和塑料树脂窗材为例，这类材料对短波具有吸收特性，因此，短波下限一般在400nm。如果对紫外波段有探测需求，可以选择石英窗材的APD雪崩光电二极管，这类APD的短波下限都在300nm以下。

至于长波上限，以Si APD为例。由于硅在常温下的带隙能为1.24 eV。λc=1240/Eg (nm)，Eg：带隙能。带入计算就可得到，以硅为感光材料的APD雪崩光电二极管，其长波上限就在1100nm左右。如果您需要探测更长波段的近红外，就需要选择InGaAs APD。

二，Peak sensitivity wavelength---峰值灵敏度波长

字面意思，即灵敏度最高的波长，也就是APD雪崩光电二极管在该波长附近，灵敏度最高。

一般来说，所选光源的波长越靠近峰值灵敏度波长，APD的信号输出更大 。注意，该参数并不是说只能探测峰值灵敏度波长，只是给出了一个灵敏度最大的波长参考值。实际上，只要在光谱响应范围内的波长，APD雪崩光电二极管都是可以探测的。如果输出灵敏度比较低，可以在后端做跨阻放大。

三，Photosensity---光灵敏度

光灵敏度是一个范围值，需要理解为在特定波长及增益倍数下的灵敏度。

光灵敏度（单位：A/W）的定义为光电流（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。

以S14645-02和S14645-05为例，在波长为900nm，温度为25℃，增益M=1的条件下，光灵敏度为0.5A/W。如果加上偏压，如增益为100，则灵敏度为50A/W。

四，Quantum efficiency---量子效率

量子效率，可以理解为在特定波长条件下，APD雪崩光电二极管的光电转换效率，定义为：在特定波长的光照下，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 %。

量子效率主要受光波长和APD的光灵敏度两个因素的影响。不同波长的光子的能量是不同的，波长越长，光子的能量越大。因此，量子效率与光波长成反比，与灵敏度成正比。下图为量子效率（QE）的计算公式：

五，Breakdown voltage---击穿电压

击穿电压，顾名思义就是APD雪崩光电二极管发生击穿现象时所施加的反向偏压。定义为：APD暗电流为100uA的情况下，反向偏压的大小。

APD的暗电流在击穿电压附近会快速上升。一般情况下，APD都是在击穿电压以下几伏工作。但有时候，反向偏压超过了击穿电压，也并一定会造成APD被击穿，即APD不可逆损坏。以S14645-05为例，当反向偏压超过击穿电压后，如暗电流达到200uA，然后降低偏压，APD仍能正常恢复。

原则上，APD是不允许超过击穿电压使用的。

六，Temperature coefficient of VBR---击穿电压温度系数

击穿电压温度系数，主要是用来表示击穿电压的变化与温度变化的关系。

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。但是，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。因此，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。当温度每升高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。

七，Dark current---暗电流

当电路中加上了反向电压（ VR ）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。暗电流大小的影响因素有两个，一个是反向电压，一个是温度。

但暗电流本身不是噪声，暗电流的不确定性才是噪声。其实就是来自暗电流的散粒噪声。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（ Ids ）和衬底内部产生的电流（ Idg ）组成。会经过雪崩层从而有M倍的增益放大。

增益M=100这个条件指的是环境温度25 ℃，给定一束波长为900nm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这个条件的目的，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。

八，Temperature coefficient of ID---暗电流温度系数

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/℃。

九，Cutoff frequency---截止频率

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fc定义为APD的输出（电流或电压）相比于100%输出下降3dB时的频率。截止频率（ fc ）与上升时间（ tr ）的换算公式为：tr（ns）=0.35/fc（GHz）。

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

截止频率主要反映的是APD的响应速度，即上升沿。这个从截止频率（ fc ）与上升时间（ tr ）的换算公式中就可以看出。

十，Terminal capacitance---终端电容

终端电容（ Ct ）包含了结电容（ Cj ）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。

什么是结电容（ Cj ）呢？由于耗尽层的存在，APD的PN结中会形成一个等效电容，这个就是结电容（ Cj ）。

一般说来，终端电容（ Ct ）越大，APD响应速度越慢。电容的作用就是充放电。电容越大，充放电时间越长，APD的响应速度自然就越慢。因此，终端电容的大小，最终会影响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1MHz的条件下，终端电容为1pF。

十一，Excess noise figure---过剩噪声指数

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的X次方。

有了过剩噪声系数，进一步就可以计算APD的散粒噪声：

十二，Gain---增益

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：

下面将为大家讲解一下，如何测量APD的增益。

从下图可以知道，当反向电压为0时，APD的增益为1，也就是和PD一样，并未发生雪崩，此时输出信号为IO；在相同的光强下，随着电压的增加，增益增加，输出信号IP有所增加，增益计算如下：M= IP/IO 。

下图为测量APD增益的示意图：

值得注意的是，不同的光场分布，对于最终的增益测量有所区别。如LED发散后照射到整个芯片，或者LED经过聚光，只照射到光敏面。具体原因如下：

芯片包含两部分，光敏面和间隙均具有灵敏度，然而，信号只有到光敏面内部才能够被倍增。滨松的测试条件为LED发散后照射到整个芯片，包括光敏面和间隙。

因此，输出信号=光敏面的输出+间隙的输出。假设光敏区输出为8，间隙输出为2，则输出信号应为10。当我们要将输出信号放大60倍时，光敏面输出需要达到598。

然而，这种情况下光敏面的增益为74.75（598/8），是要大于60倍的增益的。

因此，如果使用标签上 (M = 60)的电压 VR，并且光仅入射到感光面内探测，增益将大于60。