PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度。为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二极管的光电灵敏度提高到需要的程度。
1.结构
如图3-7所示为三种雪崩光电二极管的结构示意图。图3-7（a）所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构；图3-7（b）所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管。无论P型N还是N型P结构，都必须在基片上蒸涂金属铂形成硅化铂（约10 nm）保护环。图3-7（c）所示为PIN型雪崩光电二极管。由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下其耗尽区会扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，雪崩光电二极管不必设置保护环。目前，市场上的雪崩光电二极管基本上都是PIN型的。
2.工作原理
雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下进行高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子-空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子-空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。其电流倍增系数定义为 式中，I为倍增输出电流，I0为倍增前的输出电流。
雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子-空穴对数目。实际上电子电离率αn和空穴电离率αP是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率α与电场强度E近似有以下关系
式中，A、b、m都为与材料有关的系数。
假定αn=αP=α，可以推导出
式中，XD为耗尽层的宽度。上式表明，当
时，M→∞。因此，称式（3-13）为发生雪崩击穿的条件。其物理意义是：在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子-空穴对，就发生雪崩击穿现象。当M→∞时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。 实验发现，在反向偏压略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这时的M值较小，M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示为
式中，指数n与PN结的结构有关。对N+P结，n≈2；对P+N结，n≈4。由上式可见，当U→UBR时，M→∞，PN结将发生击穿。
适当调节雪崩光电二极管的工作偏压，便可得到较大的倍增系数。目前，雪崩光电二极管
的偏压分为低压和高压两种，低压在几十伏左右，高压达几百伏。雪崩光电二极管的倍增系数可达几百倍，甚至数千倍。
雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线如图3-8所示。从图3-8可以看到，当工作偏压增加时，输出亮电流（即光电流和暗电流之和）按指数形式增加。在偏压较低时，不产生雪崩过程，即无光电流倍增。所以，当光脉冲信号入射后，产生的光电流脉冲信号很小（如A点波形）。当反向偏压升至B点时，光电流便产生雪崩倍增，这时光电流脉冲信号输出增大到最大（如B点波形）。当偏压接近雪崩击穿电压时，雪崩电流维持自身流动，使暗电流迅速增加，光激发载流子的雪崩放大倍率却减小，即光电流灵敏度随反向偏压增加反而减小，如在C点处光电流的脉冲信号减小。换句话说，当反向偏压超过B点后，由于暗电流增加的速度更快，使有用的光电流脉冲幅值减小。所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了压低暗电流，会把工作点向左移动一些，虽然灵敏度有所降低，但是暗电流和噪声特性有所改善。
从图3-8所示的伏安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化时，光电流将有较大变化。另外，在雪崩过程中PN结上的反向偏压容易产生波动，将影响增益的稳定性。所以，在确定工作点后，对偏压的稳定度要求很高。
3.噪声
由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向变得更加随机，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍
增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算：
式中，指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管，2.3<n<2.5。
显然，由于信号电流按M倍增大，而噪声电流按Mn/2倍增大。因此，随着M的增大，噪声电流比信号电流增大得更快。
