Лавинный фотодиод - Avalanche photodiode

Лавинные фотодиоды ( ЛФД ) является высокочувствительным полупроводниковый фотодиод детектор , 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 pn-переходов предшествовали этому патенту. Типичными приложениями для APD являются лазерные дальномеры , оптоволоконная связь на большие расстояния и квантовое зондирование для алгоритмов управления. Новые приложения включают позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц . Массивы APD становятся коммерчески доступными, в будущем могут быть применены обнаружение молний и оптический SETI . В 2020 году было обнаружено, что добавление графенового слоя может предотвратить деградацию с течением времени, чтобы лавинные фотодиоды оставались такими же , как новые , что важно для уменьшения их размера и стоимости для многих различных приложений и вывода устройств из электронных ламп в цифровую эпоху.

Принцип действия

При приложении высокого обратного напряжения смещения (обычно 100–200 В в кремнии ) ЛФД демонстрируют эффект усиления внутреннего тока (около 100 В) 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 того, как будет достигнут пробой, 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

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

где L - граница объемного заряда для электронов, а - 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 полупроводниковыми фотодиодами . ${\ displaystyle \ alpha}$

Если требуется очень высокое усиление (от 10 ⁵ до 10 ⁶ ), можно использовать детекторы, относящиеся к ЛФД ( однофотонные лавинные диоды ), и они могут работать 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, которые работают 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 диапазоне с низким уровнем шума умножения (избыточный шум).
• Германий (Ge) обнаруживает инфракрасное излучение на длине волны 1,7 мкм, но имеет высокий шум размножения.
• InGaAs обнаруживает более 1,6 мкм и имеет меньший шум размножения, чем Ge. Обычно он используется в качестве области поглощения гетероструктурного диода, 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 для почти 100% поглощения света требуется всего несколько микрометров InGaAs . 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.
• Диоды на основе нитрида галлия используются для работы с ультрафиолетовым светом.
• Диоды на основе HgCdTe работают в инфракрасном диапазоне, как правило, на длинах волн примерно 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 , которая показывает, насколько хорошо падающие оптические фотоны поглощаются и затем используются для генерации первичных носителей заряда; и полный ток утечки, который является суммой 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

Еще один 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». При коэффициенте усиления M он обозначается ENF ( M ) и часто может быть выражен как

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

где - 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. ${\ displaystyle \ kappa}$

Шум преобразования, фактор Фано

Шумовой член для APD может также содержать коэффициент 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 относительно статистики Пуассона из-за единообразия процесса преобразования и отсутствия или слабой связи с состояниями ванны в процессе преобразования. Другими словами, «идеальный» полупроводник преобразует 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, варьируется от события к событию, даже если количество вложенной энергии одинаково.

Дальнейшие влияния

Физика, лежащая в основе, связанная с избыточным коэффициентом шума (шум усиления) и фактором Фано (шум 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 умножения лавины. 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. Лавинного умножения раза время коэффициент усиления дается в первом порядке произведением коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, которая является функцией структуры устройства и в первую очередь . ${\ Displaystyle \ каппа \,}$

Смотрите также

• Лавинный диод
• Лавина
• Однофотонный лавинный диод

Рекомендации

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 : 1981ApPhL..38..429K . DOI : 10,1063 / 1,92385 .gh
• Хён, Кён Сук; Пак, Чан-Ён (1997). «Характеристики пробоя в лавинном фотодиоде InP / InGaAs с штыревой умножающей слоистой структурой». Журнал прикладной физики . 81 (2): 974. Bibcode : 1997JAP .... 81..974H . DOI : 10.1063 / 1.364225 .
• Выбор подходящего APD
• Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленного применения
• Фотонные детекторы Excelitas Technologies [3]