[发明专利]一种雪崩二极管电场的计算方法

说明书

一种雪崩二极管电场的计算方法，雪崩二极管由上至下依次包括倍增层、电荷层、过渡层、吸收层以及缓冲层，方法包括：S1，确定倍增层、电荷层、过渡层、吸收层以及缓冲层的每层的厚度、介电常数和掺杂浓度；S2，根据厚度、介电常数以及掺杂浓度确定雪崩二极管中倍增层、电荷层、过渡层、吸收层以及缓冲层的电场。基于泊松方程，通过与倍增条件公式、碰撞电离模型等的结合，推导出雪崩二极管中各层的电场以及雪崩电压。

技术领域

本发明涉及光电探测器数值模拟技术领域，尤其涉及一种雪崩二极管电场的计算方法。

背景技术

InGaAs/InP基雪崩二极管(Avalanche Photodiodes：APD)是一种自带增益的近红外探测器件，它被广泛使用于光纤通信系统中。APD器件从发展经历来说，先后经历了以下几代：SAM型(Separated Absorption，Multiplication)、SACM型(Separated Absorption，Charge and Multiplication)以及SAGCM型(Separated Absorption，Grading，Charge andMultiplication)。APD器件的最早外延结构设计是SAM型，通过PIN在PIN结构中加入一层雪崩层，通过载流子在雪崩层的高场强牵引下加速碰撞，从而产生雪崩特性，由于这种外延设计，器件的吸收层也处于很高的场强下，吸收层的暗噪声也在高场强下被放大(器件暗电流特性与电场强度的四次方成正比)。随后发展的的技术中，通过在倍增层与吸收层中加入一层高掺杂的电荷层，有效降低了吸收层的电场强度，来源于吸收层的噪声也在这个过程中被降低。最为优化的模型是SAGCM，这一模型的发展主要是从能带理论的角度考虑，由于在能带理论中，InP材料与InGaAs材料有0.6eV的能隙，在导带上也存在0.25eV的能隙，该能隙将对迁移至雪崩区的空穴造成阻挡，影响器件的频率特性，因此添加一层渐变层，缓和从InGaAs至InP的能隙，可以有效缓解该问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种雪崩二极管电场的计算方法，基于泊松方程，通过与倍增条件公式、碰撞电离模型等的结合，推导出雪崩二极管中各层的电场以及雪崩电压。

(二)技术方案

本发明提供了一种雪崩二极管电场的计算方法，雪崩二极管由上至下依次包括倍增层、电荷层、过渡层、吸收层以及缓冲层，方法包括：S1，确定倍增层、电荷层、过渡层、吸收层以及缓冲层的每层的厚度、介电常数和掺杂浓度；S2，根据厚度、介电常数以及掺杂浓度确定雪崩二极管中倍增层、电荷层、过渡层、吸收层以及缓冲层的电场。

可选地，倍增层、电荷层、过渡层、吸收层以及缓冲层的每层均满足泊松方程，泊松方程的计算公式为：

其中，x为雪崩二极管的厚度，雪崩二极管的上表面处x为0，F(x)为厚度为x的处的电场，q为电子电荷，N(x)为计算的当前层的掺杂浓度，ε_x为计算的当前层的介电常数。

可选地，步骤S2之前还包括：S1’，确定雪崩二极管的工作状态，其中，工作状态包括导通与非导通。

可选地，当雪崩二极管处于非导通的工作状态时，雪崩二极管中的电场存在于倍增层、电荷层以及过渡层。

可选地，当雪崩二极管处于非导通的工作状态时，其电场电压小于导通电压，倍增层的电场的计算公式为：

电荷层的电场的计算公式为：

过渡层的电场的计算公式为：