Lavinová fotodioda - Avalanche photodiode

Lavinová fotodioda

Lavinové fotodiody ( APD ), je vysoce citlivý polovodičový fotodioda detektor , který využívá fotoelektrický efekt pro konverzi světla na elektřinu. Z funkčního hlediska je lze považovat za polovodičový analog fotonásobičů . Lavinová fotodioda (APD) byla vynalezena japonským inženýrem Jun-ichi Nishizawou v roce 1952. Studie rozpadu laviny, defekty mikroplazmy v křemíku a germániu a vyšetřování optické detekce pomocí pn spojení předcházejí tomuto patentu. Typickými aplikacemi pro APD jsou laserové dálkoměry , dálková optická telekomunikace a kvantové snímání řídicích algoritmů. Nové aplikace zahrnují pozitronovou emisní tomografii a fyziku částic . Pole APD se stávají komerčně dostupnými, budoucí aplikací mohou být také detekce blesků a optické SETI . V roce 2020 bylo objeveno, že přidání grafenové vrstvy může v průběhu času zabránit degradaci, aby se lavinové fotodiody udržely jako nové , což je důležité při zmenšování jejich velikosti a nákladů pro mnoho různých aplikací a vynášení zařízení z elektronek do digitálního věku.

Princip činnosti

Použitím vysokého reverzního předpětí (obvykle 100–200 V v křemíku ) vykazují APD účinek interního zesílení proudu (kolem 100) v důsledku nárazové ionizace ( lavinový efekt ). Některé křemíkové APD však používají alternativní dopingové a úkosové techniky ve srovnání s tradičními APD, které umožňují použití vyššího napětí (> 1500 V) před dosažením poruchy, a tedy větší provozní zisk (> 1000). Obecně platí, že čím vyšší je reverzní napětí, tím vyšší je zisk. Mezi různými výrazy pro APD multiplikační faktor ( M ) je poučný výraz dán vzorcem

kde L je hranice prostorového náboje pro elektrony a je multiplikačním koeficientem pro elektrony (a díry). Tento koeficient má silnou závislost na použité síle elektrického pole, teplotě a dopingovém profilu. Vzhledem k tomu, že zisk APD se silně mění s aplikovaným reverzním předpětím a teplotou, je nutné kontrolovat reverzní napětí, aby byl udržen stabilní zisk. Lavinové fotodiody jsou proto ve srovnání s jinými polovodičovými fotodiody citlivější .

Je-li zapotřebí velmi vysoký zisk (10 5 až 10 6 ), spojené s detektory APDS ( jednofotonová lavinové diody ), mohou být použity a jsou provozována s opačným napětím nad typické APD je průrazné napětí . V tomto případě musí mít fotodetektor omezen a rychle zmenšen svůj signální proud. K tomuto účelu byly použity techniky aktivního a pasivního hašení proudu. SPAD, které fungují v tomto režimu s vysokým ziskem, se někdy označují jako Geigerův režim. Tento režim je zvláště užitečný pro detekci jednotlivých fotonů za předpokladu, že četnost událostí temnoty a pravděpodobnost afterpulsingu jsou dostatečně nízké.

Materiály

Jako oblast násobení lze v zásadě použít jakýkoli polovodičový materiál:

  • Křemík detekuje ve viditelné a blízké infračervené oblasti s nízkým multiplikačním šumem (přebytečný šum).
  • Germanium (Ge) detekuje infračervené záření na vlnové délce 1,7 µm, ale má vysoký multiplikační šum.
  • InGaAs detekuje ven na déle než 1,6 µm a má menší multiplikační šum než Ge. Obvykle se používá jako absorpční oblast heterostrukturní diody, nejběžněji zahrnující InP jako substrát a jako multiplikační vrstvu. Tento materiálový systém je kompatibilní s absorpčním oknem zhruba 0,9–1,7 µm. InGaAs vykazuje vysoký absorpční koeficient na vlnových délkách vhodných pro vysokorychlostní telekomunikace využívající optická vlákna , takže pro téměř 100% absorpci světla je zapotřebí pouze několik mikrometrů InGaAs . Faktor přebytečného šumu je dostatečně nízký, aby umožnil produkt šířky pásma přesahující 100 GHz pro jednoduchý systém InP / InGaAs a až 400 GHz pro InGaAs na křemíku. Proto je možný vysokorychlostní provoz: komerční zařízení jsou k dispozici s rychlostí nejméně 10 Gbit / s.
  • Pro provoz s ultrafialovým zářením byly použity diody na bázi nitridu gália .
  • Diody založené na HgCdTe pracují v infračervené oblasti, typicky na vlnových délkách do přibližně 14 µm, ale pro snížení tmavých proudů vyžadují chlazení. V tomto materiálovém systému lze dosáhnout velmi malého nadměrného hluku.

Výkonnostní limity

Použitelnost a užitečnost APD závisí na mnoha parametrech. Dva z větších faktorů jsou: kvantová účinnost , která ukazuje, jak dobře jsou dopadající optické fotony absorbovány a poté použity ke generování primárních nosičů náboje; a celkový svodový proud, který je součtem tmavého proudu, fotoproudu a šumu. Elektronické komponenty tmavého šumu jsou sériový a paralelní šum. Sériový šum, který je účinkem rušeného šumu , je v zásadě úměrný kapacitě APD, zatímco paralelní šum je spojen s fluktuacemi objemových a povrchových tmavých proudů APD.

Získejte hluk, faktor nadměrného šumu

Dalším zdrojem hluku je faktor nadměrného šumu ENF. Jedná se o multiplikativní korekci aplikovanou na šum, která popisuje zvýšení statistického šumu, konkrétně Poissonova šumu, v důsledku procesu násobení. ENF je definován pro jakékoli zařízení, jako jsou fotonásobiče, křemíkové fotonásobiče v pevné fázi a APD, které násobí signál, a je někdy označováno jako „šum šumu“. Při zisku M je označen ENF ( M ) a může být často vyjádřen jako

kde je poměr rychlosti ionizace nárazu díry k rychlosti elektronů. U zařízení pro množení elektronů je to dáno rychlostí ionizace dopadu díry dělenou rychlostí ionizace nárazem elektronu. Je žádoucí mít mezi těmito rychlostmi velkou asymetrii, aby se minimalizovala ENF ( M ), protože ENF ( M ) je jedním z hlavních faktorů, které mimo jiné omezují nejlepší možné energetické rozlišení.

Šum při převodu, Fano faktor

Šumový člen pro APD může také obsahovat Fano faktor, což je multiplikativní korekce aplikovaná na Poissonův šum spojený s přeměnou energie ukládané nabitou částicí na páry elektron-díra, což je signál před množením. Korekční faktor popisuje pokles šumu ve srovnání s Poissonovou statistikou v důsledku uniformity procesu převodu a absence nebo slabé vazby na stavy lázně v procesu převodu. Jinými slovy, „ideální“ polovodič by přeměnil energii nabité částice na přesný a reprodukovatelný počet párů elektronových děr, aby šetřil energii; ve skutečnosti je však energie uložená nabitou částicí rozdělena na generování párů elektronových děr, generování zvuku, generování tepla a generování poškození nebo posunutí. Existence těchto dalších kanálů zavádí stochastický proces, kde se množství energie uložené v kterémkoli jednotlivém procesu liší od události k události, i když je množství uložené energie stejné.

Další vlivy

Základní fyzika spojená s faktorem nadměrného šumu (ziskový šum) a faktorem Fano (převodový šum) je velmi odlišná. Použití těchto faktorů jako multiplikativní korekce na očekávaný Poissonův šum je však podobné. Kromě nadměrného šumu existují omezení výkonu zařízení spojená s kapacitou, dobami přepravy a dobou násobení laviny. Kapacita se zvyšuje se zvyšující se plochou zařízení a snižující se tloušťkou. Doba přechodu (elektrony i otvory) se zvyšuje s rostoucí tloušťkou, což znamená kompromis mezi kapacitou a dobou přechodu pro výkon. Čas násobení laviny krát čas zisku je dán prvnímu řádu produktem šířky pásma zisku, který je funkcí struktury zařízení a zejména .

Viz také

Reference

Další čtení