Wat is lawinefotodiode? | Zijn 5+ belangrijke toepassingen en kenmerken

Definitie van lawine-fotodiode

Lawinefotodiodes of APD's zijn zeer gevoelige halfgeleiderapparaten die optische signalen omzetten in elektrische signalen. Deze worden bediend onder hoge omgekeerde voorspanning. De term 'lawine' komt van het fenomeen lawine-afbraak.

Lawine fotodiode symbool

Het symbool van lawinefotodiode is hetzelfde als dat van zenerdiode.

Lawine fotodiode structuur

De structuur van de gewone Avalanche-fotodiode is vergelijkbaar met de PIN-fotodiode. Het bestaat uit twee zwaar gedoteerde (p+ en n+ regio) en twee licht gedoteerde (I of intrinsieke regio en P-regio) regio's. De breedte van de depletielaag in het intrinsieke gebied is relatief dunner in APD dan de PIN-fotodiode. Het p+-gebied werkt als de anode en n+ werkt als de kathode. Reverse bias wordt meestal toegepast in het pn+-gebied.

Lawine fotodiode schakelschema

Voor het toepassen van omgekeerde voorspanningscondities is het p+-gebied verbonden met de negatieve pool en het n+-gebied is verbonden met de positieve pool van de batterij.

Werkingsprincipe van lawinefotodiode:

• Lawine-afbraak vindt plaats wanneer de diode is onderworpen aan hoge sperspanning;.
• De sperspanning verhoogt het elektrische veld over de uitputtingslaag.
• Invallend licht komt het p+-gebied binnen en wordt verder geabsorbeerd in het zeer resistieve p-gebied. Hier worden elektron-gatparen geproduceerd.
• Een relatief zwakker elektrisch veld veroorzaakt scheiding tussen deze paren. Elektronen en gaten drijven met hun verzadigingssnelheid naar het pn+-gebied waar een hoog elektrisch veld bestaat.
• Omdat de snelheid maximaal is, botsen de dragers met andere atomen en genereren nieuwe elektron-gatparen. Een groot aantal eh-paren resulteert in een hoge fotostroom.

Lawine fotodiode Kenmerken:

• Het intrinsieke gebied in APD is enigszins p-type gedoteerd. Het wordt ook wel ?-regio.
• Het n+-gebied is het dunst en wordt verlicht door een raam.
• Het elektrische veld is maximaal bij de pn+-junctie en begint dan af te nemen door het p-gebied. De intensiteit ervan neemt af in het ?-gebied en verdwijnt geleidelijk aan het einde van de p+-laag.
• Zelfs een enkel geabsorbeerd foton leidt tot het genereren van een groot aantal elektron-gatparen. Dit heet de intern winstproces.
• Overmatige generatie van elektronen-gatparen als gevolg van de botsing van ladingsdragers wordt genoemd lawine vermenigvuldiging. Vermenigvuldigingsfactor of winst,

M=Ik_ph/I_pho

Waar i_ph= vermenigvuldigde APD fotostroom

            i_pho=fotostroom vóór vermenigvuldiging

M-waarde is sterk afhankelijk van omgekeerde bias en temperatuur- ook.

Werking lawinefotodiode

APD's worden in volledig lege modus gebruikt. Naast de lineaire lawinemodus kunnen APD's ook werken in de Geiger-modus. In deze bedrijfsmodus wordt de fotodiode bedreven bij een spanning die hoger is dan de doorslagspanning. Onlangs is een andere modus geïntroduceerd, die de Sub-Geiger-modus wordt genoemd. Hier, samen met de gevoeligheid van één foton, is de interne versterking ook erg hoog, net onder de storing.

Impact ionisatie in lawine fotodiodes 

Nadat de fotonen in de ?-laag zijn geabsorbeerd, wordt een voldoende aantal elektron-gatparen gevormd. Het elektrische veld scheidt de paren en de onafhankelijke ladingsdragers lopen naar de n+- en p+-gebieden. In het p-gebied ervaren de elektronen een enorm elektrisch veld. In het effect van dit veld drijven elektronen met hun verzadigingssnelheid en botsen. Deze botsing helpt bij de vermenigvuldiging van de lading. Dit algemene fenomeen heet impact ionisatie.

Ionisatiesnelheid:, k=a/p

Waar ⍺= snelheid van elektronen

            ꞵ = aantal gaten  

Lawine fotodiode diagram

Gegevensblad lawinefotodiode

Lawine fotodiode module

APD's maken deel uit van modules die naast de fotodiode nog andere elektronische elementen bevatten. Er kan in sommige pakketten een trans-impedantie-op-amp zijn die de prestaties verbetert en de bandbreedte en responsiviteit verhoogt. Sommige pakketten zijn geoptimaliseerd voor gebruik in glasvezel. Sommige bevatten thermosensoren voor een betere stabiliteit.

Lawine fotodiode-array

Lawine-fotodiode-arrays zijn klein van formaat en leveren ook huurwinst op. Deze zijn speciaal ontworpen voor gebruik in LIDAR, laserafstandsmeters, enz. Hoewel APD-arrays nog geen reguliere producten zijn, maken sommige fabrikanten deze vanwege hun unieke eigenschappen.

Lawine Fotodiode Geluid

De belangrijkste componenten van ruis in APD zijn: 

• Quantum- of schotruis (i_Q): Het lawineproces is hier de belangrijkste reden voor. 
• Donkere stroomruis: Donkere stroomruis wordt gegenereerd door de afwezigheid van licht in een fotodiode. Het kan verder worden ingedeeld in bulkstroomruis (i_DB) en oppervlaktestroomruis (i_DS).
• Thermische ruis: Het is de ruis van de versterker die op de fotodiode is aangesloten.

Door dragervermenigvuldiging wordt er aanzienlijk geluid toegevoegd aan de bestaande geluiden. Het is bekend als overmatige ruisfactor or ENF.

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

Waar M = vermenigvuldigingsfactor

            k = impactionisatiecoëfficiënt

Daarom is de gemiddelde kwadratische waarde van de totale ruis i_N bij APD is,

Waar 

q = lading van een elektron

I_p= fotostroom

B = bandbreedte

M= vermenigvuldigingsfactor

I_D= bulk donkere stroom

I_L= oppervlakte lekstroom

Thermische ruis in trans-impedantieversterker is,

Waar k_B= Boltzmann-constante

           T = absolute temperatuur

           R_L= belastingsweerstand

Verschil tussen pincode en lawinefotodiode | Lawine-fotodiode versus PIN-fotodiode

Lawine fotodiode versterker

Net als PIN-fotodiodes gebruiken APD's ook de vierkanaals trans-impedantieversterker voor minder ruis, hoge impedantie en laag stroomverbruik. Sommige versterkers bieden ook temperatuurflexibiliteit en hoge betrouwbaarheid. Al deze eigenschappen maken de fotodiode geschikt voor gebruik in LIDAR-ontvangers.

Lawine fotodiode detector

APD's hebben de voorkeur boven PIN-fotodiodes bij lichtdetectie vanwege hun verhoogde gevoeligheid. Omdat een relatief hoge spanning wordt gegeven, neemt het aantal ladingsdragers toe en worden ze versneld door sterke elektrische velden. De interne botsing vindt plaats en ladingsvermenigvuldiging vindt plaats. Als gevolg hiervan stijgt de fotostroomwaarde, wat het algehele fotodetectieproces verbetert.

Lawinefotodiode in glasvezelcommunicatie

In glasvezelcommunicatiesystemen zijn APD's meestal nodig voor de detectie van zwakke signalen. Circuits moeten voldoende worden geoptimaliseerd om de zwakke signalen te detecteren die een hoge SNR (signaal-ruisverhouding). Hier,

SNR=(vermogen van de fotostroom/vermogen van fotodetector) + vermogen van versterkerruis

Om een ​​goede SNR te bereiken, moet de kwantumefficiëntie hoog zijn. Omdat deze waarde bijna de maximale waarde benadert, worden de meeste signalen gedetecteerd.

Vergelijking tussen APD en PMT | Lawine fotodiode vs fotomultiplier buis

APD's en bluscircuits 

1. Passief bluscircuit: Dit type circuit gebruikt een belastingsweerstand, een passief element, om de doorslagpuls te doven. Foto-elektronen veroorzaken de lawine. Er wordt een grote stroom door het circuit geleid om het tekort aan elektronen of gaten in het lawinegebied te voorkomen, en de diode blijft in geleidende toestand.

2. Actief blussen circuit: Terwijl de diodes worden opgeladen, is de kans dat een ander foto-elektron het raakt erg klein. Om de dode tijd tot een minimum te beperken, wordt 'actief blussen' gedaan. De voorspanning valt tijdelijk weg en deze vertraging maakt het verzamelen van alle elektronen en gaten mogelijk. Wanneer de spanning opnieuw wordt verhoogd, blijft er geen elektron achter in het uitputtingsgebied.

InGaAs lawine fotodiode

InGaAs of Indium Gallium Arsenide wordt levendig gebruikt in halfgeleiderapparaten. InGaAs-lawinefotodiodes worden gebruikt voor het bereiken van glasvezelcommunicatie met een groot bereik. Deze kunnen fotodetectie uitvoeren in het bereik van 1100-1700 nm. InGaAs lawine-fotodiodes zijn beter dan gewone germanium lawine-fotodiodes in termen van SNR en gevoeligheid.

Lawine fotodiode met groot oppervlak

APD's met een groot oppervlak of LAAPD's zijn lichtgewicht fotodiodes met een groot activeringsgebied. De functies omvatten een snelle responstijd, verbeterde SNR, ongevoeligheid voor magnetische velden, enz.

Ultraviolet-UV Lawine fotodiode

Ultraviolette lawinefotodiodes bieden een uitstekende gevoeligheid als ze in de Geiger-modus worden gebruikt. De siliciumcarbide UV APD vertoont een hoge signaalversterking en extreme gevoeligheid. UV-APD's zijn ideaal voor detectie van ultraviolette vlammen.

Silicium Avalanche Fotodiode

APD's met een hoog siliciumgehalte zijn geweldig voor detectie bij weinig licht. Interne vermenigvuldiging heeft een grote lichtgevoeligheid waardoor het signalen bij weinig licht kan detecteren. Het heeft ook verbeterde lineariteit, lage aansluitcapaciteit en lage temperatuurcoëfficiënt. Sommige toepassingen van Si lawine-fotodiodes zijn optische afstandsmeters, laserradars, FSO, enz. 

Silicium Avalanche Fotodiode-array

In silicium APD's met meerdere elementen wordt het uitputtingsgebied net onder het lichtgevoelige gebied gefabriceerd. Hierdoor vermenigvuldigt de APD-array het invallende licht. De ladingdragers sloegen toe in het uitputtingsgebied. Dit houdt in dat Si-lawinefotodiode-arrays een lage overspraak hebben vanwege de versterking.

Geiger-modus lawine fotodiode

Lawine-fotodiodes in geigermodus zijn ontwikkeld om een ​​alternatief te bieden voor de fotovermenigvuldigingsbuizen. GAPD's gebruiken het telprincipe van één foton bij een spanning die weinig hoger is dan de drempeldoorslagspanning. Bij deze spanning kan zelfs een enkel elektron-gat-paar een sterke lawine veroorzaken. In deze situatie verlagen de bluscircuits de spanning met een fractie van een seconde. Hierdoor stopt de lawine voorlopig en is fotodetectie mogelijk.

Fotonenteltechnieken met siliciumlawinefotodiodes

In de loop der jaren zijn er twee soorten fotonenteltechnieken gebruikt in lawinefotodiodes. 

• ‌Geiger-modus
• ‌Sub-geiger-modus

Studies suggereren dat de Geiger-modus de prestaties uitstekend verbetert voor het gebruik van bluscircuits.

Enkele foton lawine fotodiode | Enkele foton tellende lawine fotodiode

Deze worden ook wel SAPD genoemd. SAPD's zijn zeer lichtgevoelig en geoptimaliseerd voor hoge kwantumfrequenties. Sommige van zijn toepassingen omvatten een beeldsensor, 3D-beeldvorming, kwantumcryptografie, Etc.

Voordelen en nadelen van Avalanche-fotodiode

Voordelen van lawinefotodiode

• ‌Het kan licht van lage intensiteit detecteren.
• ‌Gevoeligheid is hoog.
• ‌Responstijd is sneller.
• ‌Een enkel foton kan een groot aantal elektron-gatparen genereren.

Nadelen van lawinefotodiode

• ‌Hoge bedrijfsspanning is vereist.
• ‌Overmatige ruis door dragervermenigvuldiging.
• ‌Uitvoer is niet lineair.

Toepassing van lawinefotodiode

• LASER-scanner.
• barcode scanner.
• ‌laserafstandsmeters.
• ‌Snelheidspistool.
• ‌Lasermicroscopie.
• ‌PET-scanner.
• antenne Analysatorbrug.

Veelgestelde vragen

Wat is de reactietijd van een lawinefotodiode?

De gemiddelde responstijd van verschillende lawinefotodiodes kan variëren van 30 ps tot 2 ms.

Wat gebeurt er als je te veel licht naar een lawinefotodiode (APD) stuurt?

Te veel blootstelling aan licht oververhit de diode en kan het apparaat beschadigen.

Hoe werkt een lawinefotodiode?

Lawine fotodiode gebruikt de lawinedoorslagspanning om ladingsdragers te vermenigvuldigen en de stroom te verhogen.

Wat is het verschil tussen PIN-fotodiode en lawinefotodiode?

Lawinefotodiodes hebben vier lagen en PIN-fotodiodes hebben drie lagen. Ook hebben APD's, in tegenstelling tot PIN-fotodiodes, een grote interne versterking en lichtgevoeligheid als gevolg van ladingsvermenigvuldiging.

Wat zijn de nadelen van een lawine-fotodiode?

APD's zijn gevoelig voor veel ruis als gevolg van impactionisatie en de uitvoer is niet-lineair. Andere beperkingen zijn besproken in de sectie "nadelen van Avalanche Photo-diodes".

Wat is het belangrijkste voordeel van een lawinefotodiode?

Het belangrijkste voordeel van de lawine-fotodiode is de gevoeligheid en het vermogen om signalen bij weinig licht te detecteren.

Wat is het temperatuureffect op lawinetoename?

De versterking varieert lineair met de temperatuur, aangezien de omgekeerde doorslagspanning een lineaire relatie heeft met de temperatuur.

Waarom neemt de afbraak van lawines toe met de temperatuur?

Een stijging van de temperatuur verhoogt de vibratie van atomen en vermindert de gemiddelde vrije weg. Omdat het pad kleiner wordt, hebben ladingsdragers meer energie nodig om te reizen. Daarom moet de doorslagspanning worden verhoogd.

Voor meer elektronica gerelateerd artikel klik hier

Kaushikee Banerjee

Hallo……Ik ben Kaushikee. Banerjee heeft mijn master Elektronica en Communicatie afgerond. Ik ben een elektronica-liefhebber en houd mij momenteel bezig met elektronica en communicatie. Mijn interesse ligt in het verkennen van geavanceerde technologieën. Ik ben een enthousiaste leerling en knutsel met open-source elektronica.