Co je to Avalanche Photodiode? | Jeho 5+ Důležité použití a vlastnosti

Definice lavinové fotodiody

Lavinové fotodiody nebo APD jsou vysoce citlivá polovodičová zařízení, která transformují optické signály na elektrické signály. Ty jsou provozovány s vysokým zpětným předpětím. Termín „lavina“ pochází z fenoménu rozpadu laviny.

Symbol lavinové fotodiody

Symbol lavinové fotodiody je stejný jako symbol Zenerovy diody.

Struktura laviny fotodiody

Struktura běžné lavinové fotodiody je podobná PIN fotodiodě. Skládá se ze dvou silně dotovaných (p + a n + oblast) a dvou lehce dopovaných (I nebo vnitřní oblast a P oblast) oblastí. Šířka depleční vrstvy ve vnitřní oblasti je u APD relativně tenčí než PIN fotodioda. Oblast p + působí jako anoda a n + působí jako katoda. Reverzní zkreslení se většinou používá v celé oblasti pn +.

Schéma zapojení lavinové fotodiody

Pro použití podmínek reverzního zkreslení je oblast p + připojena k záporné svorce a oblast n + je připojena k kladné svorce baterie.

Princip fungování lavinové fotodiody

• Lavinový průraz nastává, když dioda je vystavena vysokému zpětnému napětí.
• Napětí reverzního zkreslení zvyšuje elektrické pole přes vrstvu vyčerpání.
• Dopadající světlo vstupuje do oblasti p + a dále se absorbuje ve vysoce odporové oblasti p. Zde se vytvářejí páry elektron-díra.
• Poměrně slabší elektrické pole způsobuje oddělení mezi těmito páry. Elektrony a díry driftují svou rychlostí nasycení směrem k oblasti pn +, kde existuje vysoké elektrické pole.
• Protože rychlost je maximální, nosiče se srazí s jinými atomy a vytvoří nové páry elektron-díra. Velký počet dvojic eh vede k vysokému fotoproudu.

Vlastnosti lavinové fotodiody

• Vnitřní oblast v APD je mírně dopovaná p-typem. Také se tomu říká ?-kraj.
• Oblast n + je nejtenčí a je osvětlena oknem.
• Elektrické pole je maximální na křižovatce pn+ a poté začne klesat v oblasti p. Jeho intenzita se v oblasti? Snižuje a postupně mizí na konci vrstvy p+.
• Dokonce i jediný absorbovaný foton vede ke generování obrovského počtu párů elektron-díra. Tomu se říká proces interního zisku.
• Je vyvolána nadměrná generace párů elektron-díra v důsledku kolize nosičů náboje násobení laviny. Multiplikační faktor nebo zisk,

M=I_ph/I_pho

Kde i_ph= vynásobený APD fotoproud

            i_pho= fotoproud před násobením

Hodnota M silně závisí na reverzní zkreslení a teplota také.

Provoz lavinové fotodiody

APD jsou provozovány ve zcela vyčerpaném režimu. Kromě režimu lineární laviny mohou APD pracovat také v Geigerův režim. V tomto provozním režimu je fotodioda provozována na napětí nad průrazným napětím. Nedávno byl představen další režim, který se nazývá režim Sub-Geiger. Tady spolu s citlivostí na jeden foton je také vnitřní zisk velmi vysoký, těsně pod rozpadem.

Rázová ionizace v lavinových fotodiodách 

Poté, co jsou fotony absorbovány v a-vrstvě, vytvoří se dostatečný počet párů elektron-díra. Elektrické pole odděluje páry a nezávislé nosiče náboje běží směrem k oblastem n+ a p+. V oblasti p zažívají elektrony obrovské elektrické pole. Vlivem tohoto pole se elektrony unášejí svou saturační rychlostí a srážejí se. Tato kolize pomáhá při násobení náboje. Tento celkový jev se nazývá nárazová ionizace.

Míra ionizacek=a/p

Kde ⍺ = rychlost elektronů

            ꞵ = rychlost děr  

Lavinový fotodiodový diagram

Datový list lavinové fotodiody

Lavinový fotodiodový modul

APD jsou součástí modulů, které kromě fotodiody obsahují další elektronické prvky. V některých balíčcích může být transimpedanční operační zesilovač, který zlepšuje výkon a zvyšuje šířku pásma a citlivost. Některé balíčky jsou optimalizovány pro použití v optických vláknech. Některé obsahují termosenzory, které zajišťují lepší stabilitu.

Lavinové fotodiodové pole

Lavinové fotodiodové pole je malé velikosti a také přináší zisk z pronájmu. Jsou navrženy speciálně pro použití v LIDAR, laserových dálkoměrech atd. Přestože pole APD ještě nejsou běžnými výrobky, někteří výrobci je vyrábějí kvůli svým jedinečným vlastnostem.

Hluk lavinové fotodiody

Primární složky hluku v APD jsou 

• Kvantový nebo výstřelný šum (tj_Q): Lavinový proces je hlavním důvodem. 
• Šum temného proudu: Šum temného proudu je generován nepřítomností světla ve fotodiodě. Lze jej dále rozdělit na hluk hromadného proudu (tj_DB) a hluk povrchového proudu (tj_DS).
• Tepelný hluk: Je to šum zesilovače připojeného k fotodiodě.

Kvůli násobení nosných se k existujícím zvukům přidává značný šum. Je znám jako faktor nadměrného šumu or ENF.

ENF nebo F (M)= kM + (2-1/M) (1-k)

Kde M = multiplikační faktor

            k = nárazový ionizační koeficient

Proto střední kvadratická hodnota celkového šumu i_N v APD je,

Kde 

q = náboj elektronu

I_p= fotoproud

B = šířka pásma

M = multiplikační faktor

I_D= sypký temný proud

I_L= povrchový svodový proud

Tepelný šum v transimpedančním zesilovači je,

Kde k_B= Boltzmannova konstanta

           T = absolutní teplota

           R_L= odpor zátěže

Rozdíl mezi PIN a lavinou fotodiody | Lavinová fotodioda vs. fotodioda PIN

Lavinový fotodiodový zesilovač

Stejně jako PIN fotodiody, APD také používají čtyřkanálový transimpedanční zesilovač pro snížení šumu, vysokou impedanci a nízkou spotřebu energie. Některé zesilovače nabízejí také teplotní flexibilitu a vysokou spolehlivost. Díky všem těmto vlastnostem je fotodioda vhodná pro použití v přijímačích LIDAR.

Lavinový fotodiodový detektor

APD jsou preferovány před PIN fotodiodami v detekci světla pro jejich zvýšenou citlivost. Vzhledem k tomu, že je dáno relativně vysoké napětí, počet nosičů náboje přerůstá a jsou zrychleny účinkem silných elektrických polí. Dojde k vnitřní kolizi a dojde k násobení náboje. Ve výsledku vzroste hodnota fotoproudu, což zlepší celkový proces detekce fotografie.

Lavinová fotodioda v komunikaci optickými vlákny

V komunikačních systémech z optických vláken jsou APD obvykle potřebné pro detekci slabých signálů. Obvody musí být dostatečně optimalizovány, aby detekovaly slabé signály udržující vysokou úroveň SNR (odstup signálu od šumu). Tady,

SNR=(výkon z fotoproudu/výkon fotodetektoru) + výkon šumu zesilovače

Pro dosažení dobrého SNR musí být kvantová účinnost vysoká. Protože se tato hodnota blíží maximální hodnotě, je detekována většina signálů.

Srovnání mezi APD a PMT | Lavinová fotodioda vs. fotonásobič

APD a zhášecí obvody 

1. Pasivní zhášecí obvod: Tento typ obvodu používá zátěžový rezistor, pasivní prvek, k uhasení poruchového impulzu. Fotoelektrony spouští lavinu. Obvodem prochází velký proud, aby se zabránilo nedostatku elektronů nebo otvorů v lavinové oblasti a dioda zůstane ve vodivém stavu.

2. Aktivní kalení obvod: Zatímco diody jsou dobity, pravděpodobnost, že do něj zasáhne další fotoelektron, je velmi nízká. Pro minimalizaci mrtvého času se provádí „aktivní zhášení“. Předpětí se dočasně sníží a toto zpoždění umožňuje shromáždění všech elektronů a děr. Když se napětí opět zvýší, nezůstane v oblasti vyčerpání žádný elektron.

Lavinová fotodioda InGaAs

InGaAs nebo indium gallium arsenid se živě používá v polovodičových zařízeních. Lavinové fotodiody InGaAs se používají k dosažení komunikace na dálku s optickými vlákny. Mohou provádět foto-detekci v rozsahu 1100-1700 nm. Lavinové fotodiody InGaAs jsou z hlediska SNR a citlivosti lepší než běžné lavinové fotodiody germania.

Velkoplošná lavinová fotodioda

Velkoplošné APD nebo LAAPD jsou lehké fotodiody, které mají velkou aktivační plochu. Mezi jeho vlastnosti patří rychlá doba odezvy, vylepšené SNR, necitlivost na magnetické pole atd.

Ultrafialový-UV lavinová fotodioda

Ultrafialové lavinové fotodiody nabízejí při provozu v Geigerově režimu vynikající citlivost. Karbid křemíku UV APD vykazuje vysoký zisk signálu a extrémní citlivost. UV APD jsou ideální pro detekci ultrafialového plamene.

Fotodioda ze silikonové laviny

APD s vysokým obsahem křemíku jsou skvělé pro detekci slabého světla. Interní násobení má skvělou fotocitlivost, díky níž je schopen detekovat slabé světelné signály. Má také vylepšenou linearitu, nízkou koncovou kapacitu a nízkoteplotní koeficient. Některé aplikace lavinových fotodiod Si jsou optické dálkoměry, laserové radary, FSO atd. 

Pole fotodiody Silicon Avalanche

U víceprvkových křemíkových APD je oblast vyčerpání vyrobena těsně pod fotocitlivou oblastí. Díky tomu pole APD znásobuje dopadající světlo. Nosiče nábojů zasáhly v oblasti vyčerpání. To znamená, že lavinové fotodiody řady Si mají kvůli zesílení nízké přeslechy.

Lavinová fotodioda v režimu Geiger

Lavinové fotodiody v režimu Geiger byly vyvinuty jako alternativa k fotonásobičům. GAPD používají princip počítání jednotlivých fotonů při napětí o něco více, než je prahové průrazné napětí. Při tomto napětí je dokonce i jediný pár elektron-díra schopen spustit silnou lavinu. V této situaci zhášecí obvody snižují napětí o zlomek sekundy. To prozatím zastaví lavinu a je možná detekce fotografií.

Techniky počítání fotonů s křemíkovými lavinovými fotodiody

V průběhu let se v lavinových fotodiodách používaly dva typy technik počítání fotonů. 

• ‌Geigerův režim
• ‌ Režim Sub-Geiger

Studie naznačují, že režim Geiger vynikajícím způsobem zvyšuje výkon při používání zhášecích obvodů.

Jednofotonová lavinová fotodioda | Jeden foton počítající lavinovou fotodiodu

Tito se také nazývají SAPD. SAPD jsou vysoce fotocitlivé a optimalizované pro vysokou kvantovou frekvenci. Některé z jeho aplikací zahrnují obrazový senzor, 3D zobrazování, kvantová kryptografie, Etc.

Výhody a nevýhody lavinové fotodiody

Výhody lavinové fotodiody

• ‌ Dokáže detekovat světlo nízké intenzity.
• ‌ Citlivost je vysoká.
• ‌ Doba odezvy je rychlejší.
• ‌Jeden foton může generovat velké množství párů elektron-díra.

Nevýhody lavinové fotodiody

• RequiredVyžaduje se vysoké provozní napětí.
• ‌ Nadměrný hluk v důsledku násobení nosné.
• ‌Výstup není lineární.

Aplikace lavinové fotodiody

• LASEROVÝ skener.
• čtečka čárových kódů.
• ‌Laserové dálkoměry.
• ‌Rychlá zbraň.
• ‌Laserová mikroskopie.
• ‌PET skener.
• anténa Most analyzátoru.

Nejčastější dotazy

Jaká je doba odezvy lavinové fotodiody?

Průměrná doba odezvy různých lavinových fotodiod se může pohybovat od 30 ps do 2 ms.

Co se stane, když na lavinovou fotodiodu (APD) pošlete příliš mnoho světla?

Přílišné vystavení světlu přehřívá diodu a může poškodit zařízení.

Jak funguje lavinová fotodioda?

Lavinová fotodioda využívá lavinové průrazné napětí k znásobení nosičů náboje a zvýšení proudu.

Jaký je rozdíl mezi PIN fotodiodou a lavinovou fotodiodou?

Lavinové fotodiody mají čtyři vrstvy a PIN fotodiody mají tři vrstvy. Na rozdíl od fotodiod s PIN mají APD také vysoký vnitřní zisk a fotocitlivost kvůli multiplikaci náboje.

Jaké jsou nevýhody lavinové fotodiody?

APD jsou citlivé na vysoký šum v důsledku nárazové ionizace a výstup je nelineární. Další omezení byla popsána v části „Nevýhody lavinových fotodiod“.

Jaká je hlavní výhoda lavinové fotodiody?

Hlavní výhodou lavinové fotodiody je její citlivost a schopnost detekovat slabé světelné signály.

Jaký je vliv teploty na lavinový zisk?

Zisk se lineárně mění s teplotou, protože reverzní průrazné napětí má lineární vztah s teplotou.

Proč se rozpad laviny zvyšuje s teplotou?

Zvýšení teploty zvyšuje vibrace atomů a snižuje střední volnou cestu. Vzhledem k tomu, že se dráha zmenšuje, nosiče náboje potřebují k cestování více energie. Proto je třeba zvýšit průrazné napětí.

Další článek týkající se elektroniky klikněte zde

Kaushikee Banerjee

Ahoj……já jsem Kaushikee Banerjee dokončil svůj magisterský titul v oboru elektronika a komunikace. Jsem nadšenec do elektroniky a v současnosti se věnuji oboru Elektronika a komunikace. Můj zájem spočívá v objevování špičkových technologií. Jsem nadšený student a pohrávám si s open-source elektronikou.