Cos'è il fotodiodo da valanga? | I suoi 5+ usi e caratteristiche importanti

Definizione di fotodiodo da valanga

I fotodiodi a valanga o APD sono dispositivi semiconduttori altamente sensibili che trasformano i segnali ottici in segnali elettrici. Questi sono azionati con un'elevata polarizzazione inversa. Il termine "valanga" deriva dal fenomeno della rottura delle valanghe.

Simbolo del fotodiodo da valanga

Il simbolo del fotodiodo da valanga è lo stesso del diodo Zener.

Struttura del fotodiodo da valanga

La struttura del fotodiodo Avalanche ordinario è simile al fotodiodo PIN. Consiste di due regioni fortemente drogate (regione p+ e n+) e due regioni leggermente drogate (regione I o intrinseca e regione P). La larghezza dello strato di esaurimento nella regione intrinseca è relativamente più sottile nell'APD rispetto al fotodiodo PIN. La regione p+ si comporta come l'anodo e n+ si comporta come il catodo. La polarizzazione inversa viene applicata principalmente nella regione pn+.

Schema circuitale del fotodiodo da valanga

Per applicare condizioni di polarizzazione inversa, la regione p+ è collegata al terminale negativo e la regione n+ è collegata al terminale positivo della batteria.

Principio di funzionamento del fotodiodo da valanga

• La rottura di una valanga si verifica quando il il diodo è soggetto ad alta tensione inversa.
• La tensione di polarizzazione inversa aumenta il campo elettrico attraverso lo strato di esaurimento.
• La luce incidente entra nella regione p+ e viene ulteriormente assorbita nella regione p altamente resistiva. Qui vengono prodotte coppie elettrone-lacuna.
• Un campo elettrico relativamente più debole provoca la separazione tra queste coppie. Elettroni e lacune vanno alla deriva con la loro velocità di saturazione verso la regione pn+ dove esiste un campo elettrico elevato.
• Quando la velocità è massima, i portatori si scontrano con altri atomi e generano nuove coppie elettrone-lacuna. Un gran numero di coppie eh si traduce in un'elevata fotocorrente.

Caratteristiche del fotodiodo da valanga

• La regione intrinseca nell'APD è leggermente drogata di tipo p. Si chiama anche ?-regione.
• La regione n+ è la più sottile ed è illuminata attraverso una finestra.
• Il campo elettrico è massimo alla giunzione pn+, quindi inizia a diminuire attraverso la regione p. La sua intensità diminuisce nella regione e svanisce gradualmente alla fine dello strato p+.
• Anche un singolo fotone assorbito porta alla generazione di un vasto numero di coppie elettrone-lacuna. Questo si chiama processo di guadagno interno.
• Viene chiamata la generazione in eccesso di coppie elettrone-lacuna a causa della collisione dei portatori di carica moltiplicazione delle valanghe. Fattore di moltiplicazione o guadagno,

M=I_ph/I_pho

Dove i_ph= fotocorrente APD moltiplicata

            i_pho=fotocorrente prima della moltiplicazione

Il valore M dipende fortemente da polarizzazione inversa ed temperatura anche.

Operazione con fotodiodo da valanga

Gli APD funzionano in modalità completamente esaurita. Oltre alla modalità a valanga lineare, gli APD possono funzionare anche nel Modalità Geiger. In questa modalità di funzionamento, il fotodiodo viene fatto funzionare a una tensione superiore alla tensione di rottura. Recentemente è stata introdotta un'altra modalità, chiamata modalità Sub-Geiger. Qui insieme alla sensibilità al singolo fotone, anche il guadagno interno è molto alto, appena al di sotto della rottura.

Ionizzazione da impatto nei fotodiodi da valanga 

Dopo che i fotoni sono stati assorbiti nello strato , si forma un numero sufficiente di coppie elettrone-lacuna. Il campo elettrico separa le coppie e i portatori di carica indipendenti corrono verso le regioni n+ e p+. Nella regione p, gli elettroni sperimentano un enorme campo elettrico. Sotto l'effetto di questo campo, gli elettroni vanno alla deriva con la loro velocità di saturazione e si scontrano. Questa collisione aiuta nella moltiplicazione della carica. Questo fenomeno globale è chiamato ionizzazione da impatto.

Tasso di ionizzazione, k=α/β

Dove ⍺= tasso di elettroni

            ꞵ= tasso di fori  

Diagramma del fotodiodo da valanga

Scheda tecnica del fotodiodo da valanga

fotorilevatore	lunghezza d'onda	Reattività	Corrente oscura
APD InGaAs	1310 1550-nm	0.8 A/W	30 n.a
Germanio APD	1000 1500-nm	0.7 A/W	1000 n.a

Modulo fotodiodo da valanga

Gli APD fanno parte di moduli che contengono elementi elettronici aggiuntivi oltre al fotodiodo. In alcuni pacchetti può essere presente un amplificatore operazionale a trans-impedenza che migliora le prestazioni e aumenta la larghezza di banda e la reattività. Alcuni pacchetti sono ottimizzati per essere utilizzati in fibra ottica. Alcuni incorporano termosensori per fornire una migliore stabilità.

Array di fotodiodi da valanga

Gli array di fotodiodi a valanga sono di piccole dimensioni e producono anche un guadagno in locazione. Questi sono progettati appositamente per l'uso in LIDAR, telemetri laser, ecc. Sebbene gli array APD non siano ancora prodotti tradizionali, alcuni produttori li stanno realizzando grazie alle loro caratteristiche uniche.

Rumore del fotodiodo da valanga

Le componenti principali del rumore nell'APD sono 

• Rumore quantico o di sparo (i_Q): Il processo di valanga è la ragione principale dietro questo. 
• Rumore di corrente oscura: Il rumore della corrente oscura è generato dall'assenza di luce in un fotodiodo. Può essere ulteriormente classificato in rumore corrente di massa (i_DB) ed rumore della corrente superficiale (i_DS).
• Rumore termico: È il rumore dell'amplificatore collegato al fotodiodo.

A causa della moltiplicazione delle portanti, ai rumori esistenti viene aggiunto un rumore significativo. È noto come fattore di rumore in eccesso or ENF.

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

Dove M = fattore di moltiplicazione

            k = coefficiente di ionizzazione da impatto

Quindi il valore quadratico medio del rumore totale i_N nell'APD è,

Dove 

q= carica di un elettrone

I_p= fotocorrente

B = larghezza di banda

M= fattore di moltiplicazione

I_D= corrente di buio di massa

I_L= corrente di dispersione superficiale

Il rumore termico nell'amplificatore a trans-impedenza è,

Dove k_B= Costante di Boltzmann

           T = temperatura assoluta

           R_L= resistenza di carico

Differenza tra PIN e fotodiodo da valanga | Fotodiodo a valanga vs. fotodiodo PIN

Amplificatore a fotodiodo a valanga

Come i fotodiodi PIN, anche gli APD utilizzano l'amplificatore a trans-impedenza a quattro canali per ridurre il rumore, l'alta impedenza e il basso consumo energetico. Alcuni amplificatori offrono anche flessibilità di temperatura e alta affidabilità. Tutte queste caratteristiche rendono il fotodiodo adatto all'utilizzo nei ricevitori LIDAR.

Rilevatore a fotodiodo da valanga

Gli APD sono preferiti rispetto ai fotodiodi PIN nel rilevamento della luce per la loro maggiore sensibilità. Poiché viene fornita una tensione relativamente alta, il numero di portatori di carica aumenta e vengono accelerati per effetto di forti campi elettrici. Si verifica la collisione interna e avviene la moltiplicazione della carica. Di conseguenza, il valore della fotocorrente aumenta, il che migliora il processo generale di rilevamento della foto.

Fotodiodo da valanga nella comunicazione in fibra ottica

Nei sistemi di comunicazione in fibra ottica, gli APD sono solitamente necessari per il rilevamento di segnali deboli. I circuiti devono essere sufficientemente ottimizzati per rilevare i segnali deboli mantenendo un livello elevato SNR (rapporto segnale/rumore). Qui,

SNR=(potenza della fotocorrente/potenza del fotorivelatore) + potenza del rumore dell'amplificatore

Per ottenere un buon SNR, l'efficienza quantistica deve essere elevata. Poiché questo valore è quasi vicino al valore massimo, viene rilevata la maggior parte dei segnali.

Confronto tra APD e PMT | Fotodiodo da valanga vs tubo fotomoltiplicatore

Fotodiodo da valanga	Tubo fotomoltiplicatore
Consiste di quattro strati con diverse concentrazioni di drogante.	È costituito da un fotocatodo, dinodi e un tubo di vetro a vuoto.
Utilizza il fenomeno della moltiplicazione delle valanghe per produrre portatori di carica.	Utilizza la tecnica dell'assorbimento di fotoni per l'emissione di elettroni in eccesso.
Converte i fotoni in elettroni.	Amplifica il numero di elettroni.
Gli APD sono molto sensibili.	La sensibilità del PMT è limitata.
Il costo degli APD è inferiore a quello dei PMT.	I PMT sono i dispositivi più costosi.

APD e circuiti di spegnimento 

1. Circuito di spegnimento passivo: Questo tipo di circuito utilizza un resistore di carico, un elemento passivo, per spegnere l'impulso di rottura. I fotoelettroni innescano la valanga. Una grande corrente viene fatta passare attraverso il circuito per evitare la carenza di elettroni o lacune nella regione della valanga e il diodo rimane in stato di conduzione.

2. Spegnimento attivo circuito: Mentre i diodi sono ricaricati, la probabilità che un altro fotoelettrone lo colpisca è molto bassa. Per ridurre al minimo i tempi morti, viene eseguita l'"estinzione attiva". La tensione di polarizzazione viene temporaneamente ridotta e questo ritardo consente la raccolta di tutti gli elettroni e le lacune. Quando di nuovo la tensione viene aumentata, nessun elettrone rimane nella regione di svuotamento.

Fotodiodo da valanga InGaAs

InGaAs o Indium Gallium Arsenide è vividamente utilizzato nei dispositivi a semiconduttore. I fotodiodi a valanga InGaAs vengono utilizzati per ottenere comunicazioni in fibra ottica a lungo raggio. Questi possono eseguire il fotorilevamento nell'intervallo 1100-1700 nm. I fotodiodi da valanga InGaAs sono migliori dei normali fotodiodi da valanga al germanio in termini di SNR e sensibilità.

Fotodiodo da valanga di grandi dimensioni

Gli APD di ampia area o LAAPD sono fotodiodi leggeri che possiedono un'ampia area di attivazione. Le sue caratteristiche includono tempi di risposta rapidi, SNR migliorato, insensibilità ai campi magnetici, ecc.

ultravioletto-Fotodiodo UV da valanga

I fotodiodi da valanga ultravioletti offrono una sensibilità eccezionale se utilizzati in modalità Geiger. L'APD UV in carburo di silicio mostra un elevato guadagno di segnale e un'estrema sensibilità. Gli APD UV sono ideali per il rilevamento della fiamma ultravioletta.

Fotodiodo a valanga di silicio

Gli APD ad alto contenuto di silicio sono ottimi per il rilevamento della scarsa illuminazione. La moltiplicazione interna presenta una grande fotosensibilità che lo rende in grado di rilevare segnali di scarsa illuminazione. Ha anche una linearità migliorata, una bassa capacità del terminale e un coefficiente di bassa temperatura. Alcune applicazioni dei fotodiodi da valanga al Si sono telemetri ottici, radar laser, FSO, ecc. 

Serie di fotodiodi a valanga di silicio

Negli APD di silicio multi-elemento, la regione di svuotamento è fabbricata appena sotto l'area fotosensibile. A causa di ciò, l'array APD moltiplica la luce incidente. I portatori di carica hanno colpito nella regione dell'esaurimento. Ciò implica che gli array di fotodiodi a valanga di Si hanno una bassa diafonia a causa del guadagno.

Fotodiodo da valanga in modalità Geiger

I fotodiodi a valanga in modalità Geiger sono sviluppati per fornire un'alternativa ai tubi fotomoltiplicatori. I GAPD utilizzano il principio di conteggio del singolo fotone a una tensione poco superiore alla tensione di rottura della soglia. A questa tensione, anche una singola coppia elettrone-lacuna è in grado di innescare una forte valanga. In questa situazione, i circuiti di spegnimento riducono la tensione di una frazione di secondo. Questo ferma la valanga per il momento ed è possibile il fotorilevamento.

Tecniche di conteggio dei fotoni con fotodiodi a valanga di silicio

Nel corso degli anni, nei fotodiodi da valanga sono stati utilizzati due tipi di tecniche di conteggio dei fotoni. 

• ‌Modalità Geiger
• Modalità sub-geiger

Gli studi suggeriscono che la modalità Geiger migliora le prestazioni in modo eccellente per l'utilizzo di circuiti di spegnimento.

Fotodiodo a valanga a fotone singolo | Conteggio singolo fotone Fotodiodo a valanga

Questi sono anche chiamati SAPD. I SAPD sono altamente fotosensibili e ottimizzati per l'alta frequenza quantistica. Alcune delle sue applicazioni includono an sensore di immagine, imaging 3D, crittografia quantistica, ecc.

Vantaggi e svantaggi del fotodiodo da valanga

Vantaggi del fotodiodo da valanga

• Può rilevare la luce di bassa intensità.
• La sensibilità è alta.
• Il tempo di risposta è più veloce.
• Un singolo fotone può generare un gran numero di coppie elettrone-lacuna.

Svantaggi del fotodiodo da valanga

• È necessaria un'elevata tensione di esercizio.
• Eccesso di rumore dovuto alla moltiplicazione della portante.
• L'output non è lineare.

Applicazione del fotodiodo da valanga

• Scanner LASER.
• lettore di codici a barre.
• Telemetri laser.
• pistola veloce.
• Microscopia laser.
• Scanner PET.
• antenna Ponte analizzatore.

FAQ

Qual è il tempo di risposta del fotodiodo da valanga?

Il tempo di risposta medio di diversi fotodiodi da valanga può variare da 30 ps a 2 ms.

Cosa succede quando si invia troppa luce a un fotodiodo da valanga (APD)?

Un'eccessiva esposizione alla luce surriscalda il diodo e può danneggiare il dispositivo.

Come funziona un fotodiodo da valanga?

Fotodiodo a valanga utilizza la tensione di rottura della valanga per moltiplicare i portatori di carica e aumentare la corrente.

Qual è la differenza tra il fotodiodo PIN e il fotodiodo da valanga?

I fotodiodi a valanga hanno quattro strati e i fotodiodi PIN hanno tre strati. Inoltre, a differenza dei fotodiodi PIN, gli APD hanno un forte guadagno interno e una fotosensibilità a causa della moltiplicazione della carica.

Quali sono gli svantaggi del fotodiodo da valanga?

Gli APD sono soggetti a un rumore elevato a causa della ionizzazione da impatto e l'uscita non è lineare. Altre limitazioni sono state discusse nella sezione "Svantaggi dei fotodiodi da valanga".

Qual è il vantaggio principale di un fotodiodo da valanga?

Il vantaggio principale del fotodiodo da valanga è la sua sensibilità e capacità di rilevare i segnali di scarsa illuminazione.

Qual è l'effetto della temperatura sull'aumento delle valanghe?

Il guadagno varia linearmente con la temperatura poiché la tensione di rottura inversa ha una relazione lineare con la temperatura.

Perché la rottura delle valanghe aumenta con la temperatura?

Un aumento della temperatura aumenta la vibrazione degli atomi e diminuisce il cammino libero medio. Poiché il percorso diventa più piccolo, i portatori di carica hanno bisogno di più energia per viaggiare. Pertanto, la tensione di rottura deve essere aumentata.

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