在本文中，为能够实现光子探测，将APD设置在盖革模式下。APD的外加反偏电压U大于反向击穿电压UB的一种工作模式。在这种状态下，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足够让在该强电场内产生和漂移的光生载流子获得充足的动能，电子空穴对与晶格院子碰撞，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对造强电场的作用下，向相反的的方向运动，在运动的过程中，又可能和其他的原子碰撞，继续产生新的电子空穴对。如此重复，将造成雪崩式的载流子数目增长。这一过程就是雪崩型二极管的工作原理。所以综上所述，我们选择了将盖革模式下工作的雪崩二极管作为微光环境所采用的光电探测器[4]。论文网

2。1  雪崩光电二极管的工作模式

    对基于盖革模式的雪崩光电二极管的研究自从二战后就在很快的进行当中。研究者们在研究突变的PN结时，总结出了载流子倍增系数随着反向偏置电压的变化的经验公式。然后，有研究者发现，当外加的偏置电压很接近击穿电压的时候，整个二极管的增益就会变得异常的高。他们发现雪崩光电二极管实际上是工作在雪崩击穿电压的半导体光电二极管。在60年代，几位科学家发现雪崩光电二极管在微波输入的情况下依然可以获得很好的增益，这使得雪崩光电二极管的应用开始受到人们的重视。到1971年，K。M。约翰逊、L。K。安德森和M。B。费希尔等人第一次提出可以使用雪崩二极管的盖革模式作为粒子探测器[4]。

    我们通过调节雪崩光电二极管的反向偏置电压，可以得到三种不同的工作模式：光电二极管模式、雪崩模式和盖革模式。如图2。1所示。

图2。1 APD输出电流和偏置电压的关系

1、普通光电二极管模式

当APD的外加反向偏置电压在A点以左时，因为反偏电压U比较小，本征层还没有耗尽，所以不会发生碰撞店里，整个二极管的工作状态类似于普通光电二极管。在这种情况下，输出的电流很小，基本在皮安数量级，因此不能用来直接探测微光信号，一般都要加入外部的放大器对其进行放大才能达到可以测量的数量级[3]。

2、雪崩模式

随着反向偏压升高（A→B），将引起雪崩，由于外加电场在耗尽层会产生很高的电场，载流子经过耗尽层时被加速动能提高，因而可以发生碰撞电离现象。雪崩模式下的增益一般为10~200。雪崩状态下，偏置电压和输出电流有良好的线性关系，在对器件灵敏度和响应时间要求较高的一些领域有着很好的应用空间。

3、盖革模式

当反向偏压再继续升高（超过B点）将发生雪崩击穿，粒子能量足够大，在耗尽层里面的载流子具有充足的能量，这个能量足够让它自身产生自恃电压。所产生的电流大小与所入射的光的强弱无关，只和其两端反偏电压和连接的电阻有关。此时，雪崩光电二极管进入到盖革模式中。

    在雪崩的过程中，载流子在电场中被加速，拥有足够的能量，和晶格原子发生碰撞产生自由电子。失去电子的晶格原子成为带正电荷的离子，产生了电子—空穴对。如果自由电子的能量足够大，它又会碰撞材料中其他的晶格原子产生新的电子—空穴对。以上这种现象叫做碰撞电离。

    为了表示倍增程度，可以将单位个载流子通过单位距离后雪崩二极管内所增加的电子—空穴对的数目定义为电离系数δ。电离系数的大小与电场强度有很大的关系。对于硅材料，当电场强度达到大约为105/cm时，电离系数δ>0，这表示开始出现雪崩现象。在电场强度为5×105/cm的时候，电离系数为105/cm；当电场强度只有二分之一时，电离系数大大减小，大概比之前要小两个数量级左右。一般情况下，电子与空穴相比，它们的电离系数并不是完全一样的。定义k为电子和空穴电离系数之比k=。其中，δe和δh分别是空穴和电子的电离系数。如果k=1，说明电子和空穴参与雪崩过程的程度一致，这样的话，会引起很大的噪声还有暗电流，对器件造成很大影响。如果k≠1，则空穴和电子的电离系数相差越大越好，这样可以很大程度上减小噪声，并且产生稳定的增益。Gm-APD器件中的噪声主要是雪崩过程中随机起伏造成的。如果电离由电子和载流子共同引起，则雪崩过程的起伏比较大，反之，则起伏较小。由于对于硅材料来说，电子和空穴量中载流子的电离能力不同，所以选择电离能力强的电子相比于空穴可以获得很高的增益和信噪比。