Лавинный фотодиод

редактировать

Лавинный фотодиод

Лавинный фотодиод (APD ) представляет собой высокочувствительный полупроводниковый фотодиод, который использует фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество. С функциональной точки зрения их можно рассматривать как полупроводниковый аналог фотоумножителей. Лавинный фотодиод (APD) был изобретен японским инженером Дзюн-ичи Нисизава в 1952 году. Однако изучение лавинного пробоя, микроплазменных дефектов в кремнии и германии и исследование оптического обнаружения с использованием p-n-переходов предшествовали этому патенту. Типичными приложениями для APD являются лазерные дальномеры, оптоволоконная связь дальнего действия и квантовое зондирование для алгоритмов управления. Новые приложения включают позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц. Массивы APD становятся коммерчески доступными, также в будущем могут быть применены обнаружение молний и оптический SETI.

Содержание

1 Принцип действия
2 Материалы
3 Пределы характеристик
- 3.1 Коэффициент усиления, избыточный коэффициент шума
- 3.2 Шум преобразования, коэффициент Фано
- 3.3 Другие факторы
4 См. Также
5 Ссылки
6 Дополнительная литература

Принцип работы

Путем приложения высокого напряжения обратного смещения (обычно 100–200 В в кремниевом корпусе ), APD показывают эффект внутреннего тока усиления (около 100) из-за ударной ионизации (лавинный эффект ). Однако в некоторых кремниевых ЛФД используются альтернативные методы легирования и снятия фаски по сравнению с традиционными ЛФД, которые позволяют приложить большее напряжение (>1500 В) до пробоя и, следовательно, больший рабочий выигрыш (>1000). Как правило, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Среди различных выражений для коэффициента умножения APD (M) поучительное выражение дается формулой

M = 1 1 - ∫ 0 L α (x) dx, {\ displaystyle M = {\ frac {1} { 1- \ int _ {0} ^ {L} \ alpha (x) \, dx}},}

{\ displaystyle M = {\ frac {1} {1- \ int _ {0 } ^ {L} \ alpha (x) \, dx}},}

где L - граница пространственного заряда для электронов, а $α {\ displaystyle \ alpha}$ $\ alpha$ - коэффициент размножения электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного электрического поля, температуры и профиля легирования. Поскольку усиление APD сильно зависит от приложенного обратного смещения и температуры, необходимо контролировать обратное напряжение, чтобы поддерживать стабильное усиление. Следовательно, лавинные фотодиоды более чувствительны по сравнению с другими полупроводниковыми фотодиодами.

Если требуется очень высокое усиление (от 10 до 10), можно использовать детекторы, относящиеся к APD (однофотонные лавинные диоды ) и работает с обратным напряжением, превышающим напряжение пробоя типичного ЛФД. В этом случае ток сигнала фотоприемника должен быть ограничен и быстро уменьшен. Для этого использовались активные и пассивные методы гашения тока. SPAD, работающие в этом режиме с высоким коэффициентом усиления, иногда называют находящимися в режиме Гейгера. Этот режим особенно полезен для обнаружения одиночных фотонов при условии, что частота событий темнового счета и вероятность послеимпульса достаточно низки.

Материалы

В принципе, любой полупроводниковый материал может использоваться в качестве области умножения:

Кремний обнаруживает в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с низким шумом умножения (избыточным шумом).
Германий (Ge) обнаруживает инфракрасный на длине волны 1,7 мкм, но имеет высокий шум умножения.
InGaAs обнаруживает на расстоянии более 1,6 мкм и имеет меньшую шум умножения, чем Ge. Обычно он используется в качестве области поглощения диода с гетероструктурой , чаще всего с использованием InP в качестве подложки и в качестве слоя умножения. Эта система материалов совместима с окном поглощения примерно 0,9–1,7 мкм. InGaAs демонстрирует высокий коэффициент поглощения на длинах волн, подходящих для высокоскоростной связи с использованием оптических волокон, поэтому всего несколько микрометров InGaAs необходимы для почти 100% поглощения света. Коэффициент избыточного шума достаточно низок, чтобы обеспечить произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, превышающее 100 ГГц для простой системы InP / InGaAs и до 400 ГГц для InGaAs на кремнии. Следовательно, возможна высокоскоростная работа: коммерческие устройства доступны со скоростью не менее 10 Гбит / с.
Для работы с ультрафиолетовым светом использовались диоды на основе нитрида галлия.
Диоды на основе HgCdTe работают в инфракрасном диапазоне, обычно на длинах волн примерно до 14 мкм, но требуют охлаждения для уменьшения темновых токов. С помощью этой системы материалов можно добиться очень низкого уровня избыточного шума.

Пределы характеристик

Применимость и полезность ЛФД зависит от многих параметров. Двумя более крупными факторами являются: квантовая эффективность, которая указывает, насколько хорошо падающие оптические фотоны поглощаются и затем используются для генерации первичных носителей заряда; и полный ток утечки, который складывается из темнового тока, фототока и шума. Электронные компоненты темнового шума - это последовательный и параллельный шум. Последовательный шум, который является эффектом дробового шума, в основном пропорционален емкости ЛФД, в то время как параллельный шум связан с флуктуациями объемных и поверхностных темновых токов ЛФД.

Усиление шума, избыточный коэффициент шума

Другой источник шума - избыточный коэффициент шума, ENF. Это мультипликативная коррекция, применяемая к шуму, которая описывает увеличение статистического шума, в частности шума Пуассона, из-за процесса умножения. ENF определяется для любого устройства, такого как фотоэлектронные умножители, кремниевые твердотельные фотоумножители и APD, которые умножают сигнал и иногда называются «шумом усиления». При усилении M это обозначается как ENF (M) и часто может быть выражено как

ENF = κ M + (2 - 1 M) (1 - κ), {\ displaystyle {\ text {ENF}} = \ kappa M + \ left (2 - {\ frac {1} {M}} \ right) (1- \ kappa),}

{ \ displaystyle {\ text {ENF}} = \ каппа M + \ left (2 - {\ frac {1} {M}} \ right) (1- \ kappa),}

где $κ {\ displaystyle \ kappa}$ $\ kappa$ - отношение скорости ударной ионизации дырки к скорости ионизации электронов. Для устройства электронного умножения он определяется как скорость ионизации дырочным ударом, деленная на скорость ионизации электронным ударом. Желательно иметь большую асимметрию между этими скоростями, чтобы минимизировать ENF (M), поскольку ENF (M) является одним из основных факторов, ограничивающих, среди прочего, наилучшее возможное разрешение по энергии.

Шум преобразования, коэффициент Фано

Параметр шума для APD может также содержать коэффициент Фано, который представляет собой мультипликативную поправку, применяемую к шуму Пуассона, связанному с преобразованием энергии, выделяемой заряженная частица к электронно-дырочной паре, что является сигналом до умножения. Поправочный коэффициент описывает уменьшение шума по сравнению со статистикой Пуассона из-за единообразия процесса преобразования и отсутствия или слабой связи с состояниями ванны в процессе преобразования. Другими словами, «идеальный» полупроводник должен преобразовывать энергию заряженной частицы в точное и воспроизводимое количество пар электронов-дырок для сохранения энергии; в действительности, однако, энергия, выделяемая заряженной частицей, делится на генерацию электронных дырочных пар, генерацию звука, генерацию тепла и генерацию повреждений или смещения. Существование этих других каналов представляет собой случайный процесс, в котором количество энергии, вложенной в любой отдельный процесс, изменяется от события к событию, даже если количество вложенной энергии одинаково.

Дальнейшие воздействия

Физические основы, связанные с избыточным коэффициентом шума (шумом усиления) и коэффициентом Фано (шумом преобразования), сильно различаются. Однако применение этих факторов в качестве мультипликативных поправок к ожидаемому пуассоновскому шуму аналогично. Помимо избыточного шума, существуют ограничения производительности устройства, связанные с емкостью, временем прохождения и временем лавинного умножения. Емкость увеличивается с увеличением площади устройства и уменьшением толщины. Время прохождения (как электронов, так и дырок) увеличивается с увеличением толщины, что подразумевает компромисс между емкостью и временем прохождения для повышения производительности. Время лавинного умножения, умноженное на коэффициент усиления, определяется в первом порядке произведением коэффициента усиления и полосы пропускания, которое является функцией структуры устройства и, в частности, $κ {\ displaystyle \ kappa \,}$ $\ kappa \,$ .

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Лавинный фотодиод - Руководство пользователя [1]
Лавинный фотодиод - низкий уровень шума Приемники APD [2]
Kagawa, S. (1981). «Полностью ионно-имплантированные p + -n германиевые лавинные фотодиоды». Письма по прикладной физике. 38 (6): 429–431. Bibcode : 1981ApPhL..38..429K. дои : 10,1063 / 1,92385.gh
Хён, Кён-Сук; Пак, Чан-Ён (1997). «Характеристики пробоя в лавинном фотодиоде InP / InGaAs со структурой слоя умножения p-i-n». Журнал прикладной физики. 81 (2): 974. Bibcode : 1997JAP.... 81..974H. doi : 10.1063 / 1.364225.
Выбор правильного APD
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленного применения
Фотонные детекторы Excelitas Technologies [3]