雪崩光电二极管中碰撞电离事件的空间分布理论
2021年12月15日
雪崩光电二极管中碰撞电离事件的空间分布理论
2021年12月15日
David A. Ramirez, Majeed M. Hayat，新墨西哥大学电气与计算机工程系和高技术材料中心;
Andrew S. Huntington和George Williams, Alle亚博棋牌游戏gro MicroSystems
本文基于:D. A. Ramirez, M. M. Hayat, A. S. Huntington和G. Williams，“雪崩光电二极管中撞击电离事件的空间分布理论”，IEEE光子学会议，2012,pp. 100-101, doi: 10.1109/IPCon.2012.6358508。©2012 ieee。允许个人使用本材料。在任何当前或未来的媒体中，所有其他用途都必须获得IEEE的许可，包括为了广告或促销目的而转载/重新发布此材料，创建新的集体作品，转售或重新分发到服务器或列表，或在其他作品中重用此作品的任何受版权保护的组件。
雪崩光电二极管(apd)广泛应用于直接探测、高数据速率光纤通信系统以及现代激光雷达系统。人们已经探索了各种方法来降低APD的过量噪声，这是APD提供的随机雪崩增益不确定性的衡量标准。这些方法包括薄倍增区[1]的使用和冲击电离工程(I2E)乘法区域。这两种结构都利用死区效应来降低多余的噪声。另一种方法是抑制空穴的冲击电离，β→0，(或电子，α→0)，使空穴与电子的电离比k = β/α尽可能不同，这也将有助于降低多余的噪声因子。因此，人们对APD结构的兴趣越来越大，这种APD结构通过冲击电离工程的增殖区来抑制一种载流子的冲击电离。[4]，[5]在这些结构中，一种载流子冲击电离的抑制是通过合理地设计异质结倍增区的不同层和其中的电场分布来实现的。理解这种多层倍增区的运作和优化其设计的一个关键挑战是分析确定电子和空穴触发撞击电离事件的位置的能力。
本文报道了死空间倍增理论(DSMT)的一个扩展，可以确定任意异质结倍增区域的撞击电离的空间分布。新开发的递归方程允许确定在乘法区域的任意子区域中由电子和空穴触发的撞击电离事件的数量。此外，该模型可以包含一种抑制由一种载流子触发的撞击电离的松弛机制。通过数值求解一组扩展的载流子电离递归方程，计算了两种不同情况下的碰撞电离空间分布:空穴注入InP同质结倍增区;电子注入InAlAs/InAlGaAs I2E倍增区。后一种结构被设计成通过声子散射引入空穴弛豫机制来抑制空穴引发的电离。
在恒定电场下产生约900的平均雪崩增益的1 μ m InP乘法区，由电子和空穴发起的冲击电离在乘法区的分布如图1所示。假设在x = 0处注入孔洞。从图中可以观察到，由空穴和电子触发的电离事件的数量向乘法区相反的两端增加。空穴引发的撞击电离数随着空穴接近x = 1000nm而增加，电子引发的撞击电离数随着电子接近x = 0而增加。这一发现与空穴和电子从相反方向的电场中获得动能的事实是一致的，并且可以启动电离的给定类型的载流子的数量在行进方向上积累。
图1:由电子(红色)和空穴(蓝色)引发的撞击电离的空间分布。
我们还计算了具有多级InAlAs/ InAlGaAs I的APD的撞击电离事件的空间分布2E乘法区。图2显示了跨越倍增区的电场分布，倍增区有五个倍增单元，每个倍增单元由雪崩层、空穴弛豫层和电子加热层组成。前两个乘法单元和单元内相应层的电场剖面如图2中的插图所示。在这个乘法区域，电子在x = 0时被注入。
图2:I2E乘法区。
冲击电离的分布在乘乘区由电子和空穴引发的I2E乘法区域如图3所示。从图中可以看出，大部分撞击电离事件发生在低带隙和高电离率层(InAlGaAs)，这些层是电场最大的层。
图3:由电子(蓝色)和空穴(红色)引发的撞击电离的空间分布。
撞击电离的空间分布的放大视图如图4所示。该图显示了电子启动电离数与空穴启动电离数之间的巨大差异。这是空穴弛豫层的结果，它阻止空穴获得足够的动能来撞击电离，从而减少多余的噪声。
图4:图3的放大视图。
总之，我们已经开发了一个解析递归模型来计算由空穴和电子在乘法区域内任意位置触发的撞击电离事件的分布。该模型可用于模拟一种抑制由一种载流子触发的撞击电离的机制，并确定其对撞击电离事件分布的影响。
[1]M. Hayat等人。IEEE反式。电子发展，770 - 781(2002)。
[２]王斯安等。量子电子。， 375 - 378(2003)。
[3]M. Hayat等IEEE Trans。电子工程学报，2002(2)。
[4]W. Sun等。量子电子。， 528 - 532(2012)。
［5］J.戈登等。IEEE电子通讯，519 - 519(1979)。