Лавинный фотодиод - Avalanche photodiode

Лавинный фотодиод

An лавинный фотодиод (APD) является очень чувствительным полупроводник фотодиод что эксплуатирует фотоэлектрический эффект преобразовывать свет в электричество. С функциональной точки зрения их можно рассматривать как полупроводниковый аналог фотоумножители. Лавинный фотодиод (APD) изобрел японский инженер. Дзюн-ичи Нисидзава в 1952 г.^[1] Однако изучение лавинного пробоя, микроплазменных дефектов в кремнии и германии и исследование оптического обнаружения с использованием p-n-переходов предшествовали этому патенту. Типичные области применения APD: лазерные дальномеры, дальний оптоволокно телекоммуникации, и квантовое зондирование для алгоритмов управления. Новые приложения включают позитронно-эмиссионная томография и физика элементарных частиц. Массивы APD становятся коммерчески доступными, также молния обнаружение и оптическое SETI могут быть будущие приложения.

Принцип действия

Применяя высокий обратное смещение напряжение (обычно 100–200 В на кремний ), APD показывают внутренний ток прирост эффект (около 100) из-за ударная ионизация (лавинный эффект ). Однако в некоторых кремниевых ЛФД используются альтернативные допинг и методы снятия фаски по сравнению с традиционными APD, которые позволяют приложить большее напряжение (> 1500 В) перед авария достигается и, следовательно, большая операционная прибыль (> 1000). Как правило, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Среди различных выражений для коэффициента умножения APD (M) поучительное выражение дается формулой

{ Displaystyle M = { гидроразрыва {1} {1- int _ {0} ^ {L} alpha (x) , dx}},}

куда L - граница объемного заряда для электронов, а ${ displaystyle alpha}$ - коэффициент размножения электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного электрического поля, температуры и профиля легирования. Поскольку усиление ЛФД сильно зависит от приложенного обратного смещения и температуры, необходимо контролировать обратное напряжение, чтобы поддерживать стабильное усиление. Поэтому лавинные фотодиоды более чувствительны по сравнению с другими полупроводниками. фотодиоды.

Если требуется очень высокий коэффициент усиления (10⁵ до 10⁶), детекторы, относящиеся к APD (однофотонные лавинные диоды ) может использоваться и работать с обратным напряжением выше типичного APD. напряжение пробоя. 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 детектирования одиночных фотонов при условии, что частота событий темнового счета и вероятность послеимпульсов достаточно низки.

Материалы

В принципе, любой полупроводниковый материал можно использовать в качестве области умножения:

Кремний обнаруживает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с низким уровнем шума умножения (избыточный шум).
Германий (Ge) обнаружит инфракрасный до длины волны 1,7 мкм, но имеет высокий шум умножения.
InGaAs будет обнаруживать более 1,6 мкм и имеет меньший шум умножения, чем Ge. Обычно используется как область поглощения гетероструктура диод, чаще всего включающий InP как подложка и как умножающий слой.^[2] 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 оптические волокна, поэтому всего несколько микрометров InGaAs необходимы для почти 100% поглощения света.^[2] Коэффициент избыточного шума достаточно низок, чтобы обеспечить произведение коэффициента усиления на полосу пропускания более 100 ГГц для простой системы InP / InGaAs,^[3] и до 400 ГГц для InGaAs на кремнии.^[4] Следовательно, возможна высокоскоростная работа: коммерческие устройства доступны со скоростью не менее 10 Гбит / с.^[5]
Нитрид галлия - диоды на основе использовались для работы с ультрафиолетовый свет.
HgCdTe диоды работают в инфракрасном диапазоне, обычно на длинах волн до 14 мкм, но требуют охлаждения для уменьшения темновых токов. С помощью этой системы материалов можно добиться очень низкого избыточного шума.

Пределы производительности

Применимость и полезность APD зависит от многих параметров. Двумя наиболее важными факторами являются: квантовая эффективность, который 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 результатом дробовой шум, 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 - это фактор избыточного 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». В выигрыше M, обозначается ENF (M) и часто может быть выражена как

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

куда ${ displaystyle kappa}$ - 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 энергетическое разрешение.

Шум преобразования, фактор Фано

Шумовой член для APD может также содержать фактор Фано, который представляет собой мультипликативную поправку, применяемую к шуму Пуассона, связанному с преобразованием энергии, переданной заряженной частицей парам электрон-дырка, который 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 же энергия, вкладываемая 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 влияния

Основная физика, связанная с избыточным коэффициентом шума (шумом усиления) и коэффициентом Фано (шумом преобразования), очень отличается. 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.^[2] 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 умножения лавины, умноженное на коэффициент усиления, определяется в первом порядке произведением коэффициента усиления и полосы пропускания, которое является функцией структуры устройства и, в частности, ${ Displaystyle каппа ,}$ .

Смотрите также

дальнейшее чтение

Лавинный фотодиод - Руководство пользователя [1]
Лавинный фотодиод - малошумящие приемники APD [2]
Кагава, С. (1981). «Полностью ионно-имплантированные p + -n германиевые лавинные фотодиоды». Письма по прикладной физике. 38 (6): 429–431. Bibcode:1981АпФЛ..38..429К. 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. Дои:10.1063/1.364225.
Выбор подходящего APD
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленного применения
Фотонные детекторы Excelitas Technologies [3]

[1] «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2018-07-21. Получено 2017-05-15.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

[tsang-2] а ^б ^c Цанг, В. Т., изд. (1985). Полупроводники и полуметаллы. Vol. 22, Часть D «Фотоприемники». Академическая пресса.

[3] Тароф, Л. Э. (1991). «Планарный лавинный фотодетектор InP / GaAs с произведением коэффициента усиления и полосы пропускания, превышающего 100 ГГц». Письма об электронике. 27: 34–36. Дои:10.1049 / el: 19910023.

[4] Wu, W .; Hawkins, A. R .; Бауэрс, Дж. Э. (1997). Пак, Юн-Су; Рамасвами, Раму V (ред.). «Проектирование лавинных фотоприемников InGaAs / Si для продукта шириной полосы частот 400 ГГц». Труды SPIE. Оптоэлектронные интегральные схемы. 3006: 36–47. Bibcode:1997SPIE.3006 ... 38 Вт. Дои:10.1117/12.264251. S2CID 109777495.

[5] Кэмпбелл, Дж. К. (2007). «Последние достижения в области телекоммуникационных лавинных фотодиодов». Журнал технологии световых волн. 25 (1): 109–121. Bibcode:2007JLwT ... 25..109C. Дои:10.1109 / JLT.2006.888481. S2CID 1398387.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]