Fotodioda lawinowa - Avalanche photodiode

Fotodioda lawinowa

Fotodioda lawinowa ( APD ) jest wysoce wrażliwa półprzewodnikowe fotodiody detektora , który wykorzystuje efekt fotoelektryczny do konwersji światła na energię elektryczną. Z funkcjonalnego punktu widzenia można je uznać za półprzewodnikowy analog fotopowielaczy . Fotodioda lawinowa (APD) została wynaleziona przez japońskiego inżyniera Jun-ichi Nishizawę w 1952 roku. Jednak badania nad rozpadem lawinowym, defektami mikroplazmy w krzemie i germanie oraz badaniem detekcji optycznej za pomocą złączy pn poprzedzają ten patent. Typowe zastosowania APD to dalmierze laserowe , telekomunikacja światłowodowa dalekiego zasięgu oraz wykrywanie kwantowe do algorytmów sterowania. Nowe zastosowania obejmują pozytonową tomografię emisyjną i fizykę cząstek elementarnych . Macierze APD stają się dostępne na rynku, również wykrywanie wyładowań atmosferycznych i optyczny SETI mogą być przyszłymi zastosowaniami. W 2020 r. odkryto, że dodanie warstwy grafenu może z czasem zapobiec degradacji, aby fotodiody lawinowe pozostały jak nowe , co jest ważne w zmniejszaniu ich rozmiarów i kosztów w wielu różnych zastosowaniach i wyprowadzaniu urządzeń z lamp próżniowych w erę cyfrową.

Zasada działania

Poprzez zastosowanie wysokiego napięcia polaryzacji wstecznej (zwykle 100-200 V w krzemie ), APD wykazują wewnętrzny efekt wzmocnienia prądu (około 100) z powodu jonizacji uderzeniowej ( efekt lawinowy ). Jednak niektóre krzemowe APD wykorzystują alternatywne techniki domieszkowania i ukosowania w porównaniu z tradycyjnymi APD, które umożliwiają przyłożenie większego napięcia (> 1500 V) przed osiągnięciem przebicia, a tym samym większy zysk operacyjny (> 1000). Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe napięcie wsteczne, tym większe wzmocnienie. Wśród różnych wyrażeń dla współczynnika mnożenia APD ( M ) pouczające wyrażenie podaje wzór

gdzie L jest granicą ładunku przestrzennego dla elektronów i jest współczynnikiem mnożenia dla elektronów (i dziur). Współczynnik ten silnie zależy od zastosowanego natężenia pola elektrycznego, temperatury i profilu domieszkowania. Ponieważ wzmocnienie APD zmienia się silnie w zależności od zastosowanej polaryzacji wstecznej i temperatury, konieczne jest kontrolowanie napięcia wstecznego, aby utrzymać stabilne wzmocnienie. Fotodiody lawinowe są zatem bardziej czułe w porównaniu do innych fotodiod półprzewodnikowych .

Jeśli potrzebne jest bardzo duże wzmocnienie (10 5 do 10 6 ), detektory związane z APD ( jednofotonowe diody lawinowe ) mogą być używane i działać z napięciem wstecznym powyżej typowego napięcia przebicia APD . W takim przypadku fotodetektor musi mieć ograniczony i szybko zmniejszony prąd sygnału. W tym celu zastosowano aktywne i pasywne techniki wygaszania prądu. SPAD, które działają w tym reżimie wysokiego zysku, są czasami określane jako pracujące w trybie Geigera. Tryb ten jest szczególnie przydatny do wykrywania pojedynczych fotonów, pod warunkiem, że częstość zdarzeń zliczania ciemności i prawdopodobieństwo impulsu wtórnego są wystarczająco niskie.

Materiały

W zasadzie każdy materiał półprzewodnikowy może być użyty jako region mnożenia:

  • Krzem wykryje w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, z niskim szumem powielania (nadmiarowym szumem).
  • German (Ge) wykryje podczerwień do długości fali 1,7 µm, ale ma wysoki szum powielania.
  • InGaAs wykryje na odległość większą niż 1,6 µm i ma mniej szumów powielania niż Ge. Jest on zwykle używany jako obszar absorpcji diody heterostrukturalnej , najczęściej obejmujący InP jako podłoże i jako warstwę powielającą. Ten system materiałów jest kompatybilny z oknem absorpcyjnym około 0,9-1,7 µm. InGaAs wykazuje wysoki współczynnik absorpcji przy długościach fal odpowiednich dla szybkiej telekomunikacji z wykorzystaniem światłowodów , więc tylko kilka mikrometrów InGaAs jest wymaganych do prawie 100% absorpcji światła. Współczynnik szumu nadmiarowego jest wystarczająco niski, aby umożliwić uzyskanie pasma o wzmocnieniu przekraczającym 100 GHz dla prostego systemu InP/InGaAs i do 400 GHz dla InGaAs na krzemie. Dzięki temu możliwa jest szybka praca: komercyjne urządzenia są dostępne z prędkością co najmniej 10 Gbit/s.
  • Do pracy ze światłem ultrafioletowym zastosowano diody na bazie azotku galu .
  • Diody oparte na HgCdTe działają w podczerwieni, zwykle przy długości fali do około 14 µm, ale wymagają chłodzenia w celu zmniejszenia ciemnych prądów. W tym systemie materiałów można osiągnąć bardzo niski poziom hałasu nadmiarowego.

Ograniczenia wydajności

Stosowalność i użyteczność APD zależy od wielu parametrów. Dwa z większych czynników to: wydajność kwantowa , która wskazuje, jak dobrze padające fotony optyczne są absorbowane, a następnie wykorzystywane do generowania podstawowych nośników ładunku; oraz całkowity prąd upływu, który jest sumą prądu ciemnego, fotoprądu i szumu. Elektroniczne komponenty z ciemnym szumem to szum szeregowy i równoległy. Szum szeregowy, który jest efektem szumu śrutowego , jest w zasadzie proporcjonalny do pojemności APD, podczas gdy szum równoległy jest związany z fluktuacjami prądów objętościowych i powierzchniowych APD.

Zyskaj hałas, nadmiarowy współczynnik szumów

Innym źródłem hałasu jest współczynnik nadmiaru hałasu, ENF. Jest to poprawka multiplikatywna zastosowana do szumu, która opisuje wzrost szumu statystycznego, w szczególności szumu Poissona, spowodowany procesem mnożenia. ENF jest zdefiniowany dla dowolnego urządzenia, takiego jak fotopowielacze, krzemowe fotopowielacze półprzewodnikowe i APD, które zwielokrotniają sygnał i są czasami określane jako „szum wzmocnienia”. Przy wzmocnieniu M jest oznaczany przez ENF( M ) i często może być wyrażony jako

gdzie jest stosunkiem szybkości jonizacji uderzeniowej dziury do szybkości elektronów. W przypadku urządzenia do powielania elektronów jest on wyrażony przez szybkość jonizacji uderzeniowej dziury podzieloną przez szybkość jonizacji uderzeniowej elektronów. Pożądana jest duża asymetria między tymi szybkościami, aby zminimalizować ENF( M ), ponieważ ENF( M ) jest jednym z głównych czynników ograniczających, między innymi, najlepszą możliwą rozdzielczość energetyczną, jaką można uzyskać.

Hałas konwersji, współczynnik Fano

Termin szumu dla APD może również zawierać współczynnik Fano, który jest poprawką multiplikatywną stosowaną do szumu Poissona związanego z konwersją energii zdeponowanej przez naładowaną cząstkę na pary elektron-dziura, która jest sygnałem przed mnożeniem. Współczynnik korygujący opisuje spadek szumu w stosunku do statystyk Poissona, spowodowany jednorodnością procesu konwersji i brakiem lub słabym sprzężeniem ze stanami kąpieli w procesie konwersji. Innymi słowy, „idealny” półprzewodnik zamieniłby energię naładowanej cząstki na dokładną i powtarzalną liczbę par dziur elektronowych w celu zachowania energii; w rzeczywistości jednak energia zdeponowana przez naładowaną cząstkę dzieli się na generowanie par dziur elektronowych, generowanie dźwięku, generowanie ciepła oraz generowanie uszkodzenia lub przemieszczenia. Istnienie tych innych kanałów wprowadza proces stochastyczny, w którym ilość energii zdeponowanej w pojedynczym procesie zmienia się w zależności od zdarzenia, nawet jeśli ilość zdeponowanej energii jest taka sama.

Dalsze wpływy

Podstawowa fizyka związana ze współczynnikiem szumu nadmiarowego (szum wzmocnienia) i współczynnika Fano (szum konwersji) jest bardzo różna. Jednak zastosowanie tych czynników jako korekcji multiplikatywnych do oczekiwanego szumu Poissona jest podobne. Oprócz nadmiernego szumu istnieją ograniczenia dotyczące wydajności urządzenia związane z pojemnością, czasem przejścia i czasem zwielokrotnienia lawiny. Pojemność wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni urządzenia i zmniejszeniem grubości. Czasy przejścia (zarówno elektronów, jak i dziur) zwiększają się wraz ze wzrostem grubości, co oznacza kompromis między pojemnością a czasem przejścia dla wydajności. Czas mnożenia lawiny razy wzmocnienie jest przypisywany do pierwszego rzędu przez iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma, który jest funkcją struktury urządzenia, a zwłaszcza .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura