Wat is Avalanche Photodiode? | Sy 5+ Belangrike gebruike en kenmerke

Avalanche Photodiode Definisie

Avalanche-fotodiodes of APD's is hoogs sensitiewe halfgeleiertoestelle wat optiese seine in elektriese seine omskep. Dit word onder hoë omgekeerde vooroordeel bedryf. Die term 'sneeustorting' kom van die sneeustortingsverskynsel.

Sneeu-fotodiode-simbool

Die simbool van stortvloedfotodiode is dieselfde as dié van Zener-diode.

Avalanche Photodiode struktuur

Die struktuur van die gewone Avalanche-fotodiode is soortgelyk aan die PIN-fotodiode. Dit bestaan ​​uit twee sterk gedoteerde (p+ en n+ streek) en twee lig gedoteerde (I of intrinsieke streek en P streek) streke. Die breedte van die uitputtingslaag in die intrinsieke gebied is relatief dunner in APD as die PIN-fotodiode. Die p+-gebied tree op soos die anode, en n+ tree op soos die katode. Omgekeerde vooroordeel word meestal oor die pn+-gebied toegepas.

Avalanche fotodiode Kringdiagram

Vir die toepassing van omgekeerde voorspanningstoestande word die p+-gebied aan die negatiewe terminaal gekoppel, en die n+-gebied aan die battery se positiewe terminaal.

Avalanche fotodiode werk beginsel

• Sneeustorting vind plaas wanneer die diode is onderworpe aan hoë truspanning.
• Die omgekeerde voorspanning verhoog die elektriese veld oor die uitputtingslaag.
• Invallende lig gaan die p+-gebied binne en word verder geabsorbeer in die hoogs weerstandige p-gebied. Hier word elektron-gat pare geproduseer.
• 'n Betreklik swakker elektriese veld veroorsaak skeiding tussen hierdie pare. Elektrone en gate dryf met hul versadigingssnelheid na die pn+-gebied waar 'n hoë elektriese veld bestaan.
• Aangesien die snelheid maksimum is, bots die draers met ander atome en genereer nuwe elektron-gat pare. 'n Groot aantal eh-pare lei tot hoë fotostroom.

Avalanche fotodiode Eienskappe

• Die intrinsieke gebied in APD is effens p-tipe gedoteer. Dit word ook genoem ?-streek.
• Die n+-gebied is die dunste, en dit word deur 'n venster verlig.
• Die elektriese veld is maksimum by die pn+-aansluiting, en dan begin dit afneem deur die p-gebied. Die intensiteit daarvan verminder in ?-gebied en verdwyn geleidelik aan die einde van die p+ laag.
• Selfs 'n enkele foton wat geabsorbeer word, lei tot die generering van 'n groot aantal elektron-gat pare. Dit word die interne wins proses.
• Oormaat elektron-gat paar generasie as gevolg van die botsing van lading draers word genoem stortvloed vermenigvuldiging. Vermenigvuldigingsfaktor of wins,

M=I_ph/I_pho

Waar i_ph= vermenigvuldigde APD fotostroom

            i_pho=fotostroom voor vermenigvuldiging

M waarde hang sterk af van omgekeerde vooroordeel en temperatuur ook.

Storting fotodiode werking

APD's word in heeltemal uitgeputte modus bedryf. Benewens die lineêre stortvloedmodus, kan APD's ook in die Geiger-modus. In hierdie werkswyse word die fotodiode teen 'n spanning bo deurbreekspanning bedryf. Onlangs is 'n ander modus bekendgestel, wat Sub-Geiger-modus genoem word. Hier saam met enkel-foton sensitiwiteit, die interne wins is ook baie hoog, net onder die uiteensetting.

Impak ionisasie in Avalanche Photodiodes 

Nadat die fotone in ?-laag geabsorbeer is, word 'n voldoende aantal elektron-gat pare gevorm. Die elektriese veld skei die pare, en die onafhanklike ladingsdraers loop na die n+ en p+ streke. In die p-gebied ervaar die elektrone 'n massiewe elektriese veld. In die effek van hierdie veld dryf elektrone saam met hul versadigingssnelheid en bots dit. Hierdie botsing help met ladingvermenigvuldiging. Hierdie algehele verskynsel word genoem impak-ionisasie.

Ionisasietempo, k=α/β

Waar ⍺= tempo van elektrone

            ꞵ= tempo van gate  

Avalanche Photodiode Diagram

Avalanche Photodiode Datablad

Foto Aanwyser	Golflengte	responsiwiteit	Donker stroom
InGaAs APD	1310-1550 nm	0.8 A/W	30nA
Germanium APD	1000-1500 nm	0.7 A/W	1000nA

Avalanche Photodiode Module

APD's is deel van modules wat addisionele elektroniese elemente behalwe die fotodiode bevat. Daar kan 'n trans-impedansie op-versterker in sommige pakkette wees wat die werkverrigting verbeter en bandwydte en responsiwiteit verhoog. Sommige pakkette is geoptimaliseer om in optiese vesel gebruik te word. Sommige bevat termosensors om beter stabiliteit te bied.

Avalanche Photodiode Array

Avalanche fotodiode skikkings is klein in grootte en lewer ook huurwins op. Hierdie is spesiaal ontwerp vir gebruik in LIDAR, laserafstandmeters, ens. Alhoewel APD-skikkings nog nie hoofstroomprodukte is nie, maak sommige vervaardigers dit as gevolg van hul unieke kenmerke.

Avalanche Photodiode Geraas

Die primêre komponente van geraas in APD is 

• Kwantum- of skootgeraas (bv_Q): Die stortvloedproses is die primêre rede hiervoor. 
• Donker stroom geraas: Donkerstroomgeraas word gegenereer deur die afwesigheid van lig in 'n fotodiode. Dit kan verder geklassifiseer word in grootmaat stroom geraas (i_DB) en oppervlakstroom geraas (i_DS).
• Termiese geraas: Dit is die geraas van die versterker wat aan die fotodiode gekoppel is.

As gevolg van draervermenigvuldiging word aansienlike geraas by die bestaande geraas gevoeg. Dit staan ​​bekend as oortollige geraasfaktor or ENF.

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

Waar M = vermenigvuldigingsfaktor

            k = impak-ionisasiekoëffisiënt

Dus die gemiddelde kwadraatwaarde van totale geraas i_N in APD is,

Waar 

q= lading van 'n elektron

I_p= fotostroom

B= bandwydte

M= vermenigvuldigingsfaktor

I_D= grootmaat donker stroom

I_L= oppervlak lekstroom

Termiese geraas in trans-impedansie versterker is,

Waar k_B= Boltzmann konstante

           T= absolute temperatuur

           R_L= lasweerstand

Verskil tussen PIN en Avalanche Photodiode | Avalanche Photodiode vs PIN Photodiode

Avalanche Fotodiode Versterker

Soos PIN-fotodiodes, gebruik APD's ook die vierkanaal-transimpedansieversterker vir verminderde geraas, hoë impedansie en lae kragverbruik. Sommige versterkers bied ook temperatuurbuigsaamheid en hoë betroubaarheid. Al hierdie eienskappe maak die fotodiode geskik vir gebruik in LIDAR-ontvangers.

Avalanche Photodiode detector

APD's word verkies bo PIN-fotodiodes in ligopsporing vir hul verhoogde sensitiwiteit. Aangesien 'n relatief hoë spanning gegee word, groei die aantal ladingdraers oor, en hulle word versnel in die effek van sterk elektriese velde. Die interne botsing vind plaas, en ladingsvermenigvuldiging vind plaas. As gevolg hiervan styg die fotostroomwaarde, wat die algehele foto-opsporingsproses verbeter.

Avalanche Photodiode in optiese vesel kommunikasie

In optieseveselkommunikasiestelsels word APD's gewoonlik benodig vir die opsporing van swak seine. Stroombane moet genoeg geoptimaliseer word om die swak seine op te spoor wat 'n hoogtepunt handhaaf SNR (Sin tot geraas verhouding). hier

SNR=(krag vanaf die fotostroom/krag van fotodetektor) + krag van versterkergeraas

Om 'n goeie SNR te bereik, moet kwantumdoeltreffendheid hoog wees. Aangesien hierdie waarde amper naby die maksimum waarde is, word die meeste van die seine opgespoor.

Vergelyking tussen APD en PMT | Avalanche Photodiode vs Photomultiplier tube

Avalanche Fotodiode	Fotovermenigvuldigerbuis
Dit bestaan ​​uit vier lae met verskillende dopingkonsentrasies.	Dit bestaan ​​uit 'n fotokatode, dinodes en 'n vakuumglasbuis.
Dit gebruik die stortvloedvermenigvuldigingsverskynsel om ladingdraers te produseer.	Dit gebruik die fotonabsorpsietegniek vir die vrystelling van oortollige elektrone.
Dit skakel fotone om in elektrone.	Dit versterk die aantal elektrone.
APD's is hoogs sensitief.	Die sensitiwiteit van PMT is beperk.
Die koste van APD's is laer as dié van PMT's.	PMT's is die duurste toestelle.

APD's en blusstroombane 

1. Passiewe bluskring: Hierdie tipe stroombaan gebruik 'n lasweerstand, 'n passiewe element, om die afbreekpuls te doof. Foto-elektrone veroorsaak die stortvloed. 'n Groot stroom word deur die stroombaan gevoer om die tekort aan elektrone of gate in die stortvloedgebied te vermy, en die diode bly in geleidende toestand.

2. Aktiewe blus stroombaan: Terwyl die diodes herlaai word, is die waarskynlikheid dat 'n ander foto-elektron dit sal tref, baie laag. Om die dooie tyd te verminder, word 'aktiewe blus' gedoen. Die voorspanningsspanning word tydelik gedaal, en hierdie vertraging laat die versameling van alle elektrone en gate toe. Wanneer die spanning weer verhoog word, bly geen elektron by die uitputtingsgebied oor nie.

InGaAs Avalanche Photodiode

InGaAs of Indium Gallium Arsenide word lewendig in halfgeleiertoestelle gebruik. InGaAs stortvloed fotodiodes word gebruik vir die bereiking van langbereik optiese vesel kommunikasie. Dit kan foto-opsporing in die reeks van 1100-1700 nm uitvoer. InGaAs stortvloed fotodiodes is beter as gewone germanium stortvloed fotodiodes in terme van SNR en sensitiwiteit.

Groot area stortvloed fotodiode

Groot area APD's of LAAPD's is liggewig fotodiodes wat 'n groot aktiveringsarea besit. Die kenmerke daarvan sluit in vinnige reaksietyd, verbeterde SNR, onsensitiwiteit vir magnetiese velde, ens.

ultraviolet-UV Avalanche fotodiode

Ultraviolet stortvloed fotodiodes bied uitstekende sensitiwiteit as dit in Geiger-modus gebruik word. Die silikonkarbied UV APD toon 'n hoë seinwins en uiterste sensitiwiteit. UV APD's is ideaal vir ultraviolet vlam opsporing.

Silikon Avalanche Fotodiode

Hoë silikon APD's is ideaal vir lae lig opsporing. Interne vermenigvuldiging beskik oor groot fotosensitiwiteit wat dit in staat maak om lae ligseine op te spoor. Dit het ook verbeterde lineariteit, lae terminale kapasitansie en lae-temperatuur koëffisiënt. Sommige toepassings van Si-stortingfotodiodes is optiese afstandmeters, laserradars, FSO, ens. 

Silicon Avalanche Photodiode-skikking

In multi-element silikon APD's word die uitputtingsgebied net onder die fotosensitiewe area vervaardig. As gevolg hiervan vermenigvuldig die APD-skikking die invallende lig. Die aanklagdraers het in die uitputtingstreek toegeslaan. Dit impliseer dat Si stortvloed foto diode skikkings lae oorspraak het as gevolg van die wins.

Geiger-modus stortvloed fotodiode

Geiger-modus stortvloedfotodiodes word ontwikkel om 'n alternatief vir die fotovermenigvuldigerbuise te bied. GAPD's gebruik die enkel-foton-telbeginsel teen 'n spanning wat min meer is as die drempelafbreekspanning. By hierdie spanning is selfs 'n enkele elektron-gat-paar in staat om 'n sterk stortvloed te veroorsaak. In hierdie situasie verminder die bluskringe die spanning met 'n breukdeel van 'n sekonde. Dit stop die stortvloed vir eers, en foto-opsporing is moontlik.

Fotonteltegnieke met silikonstortingfotodiodes

Oor die jare word twee tipes fotonteltegnieke in stortvloedfotodiodes gebruik. 

• ‌Geiger-modus
• Sub-geiger-modus

Studies dui daarop dat die Geiger-modus die werkverrigting uitstekend verbeter vir die gebruik van blusstroombane.

Enkelfoton stortvloed fotodiode | Enkelfoton tel stortvloedfotodiode

Dit word ook SAPD genoem. SAPD's is hoogs fotosensitief en geoptimaliseer vir hoë kwantumfrekwensie. Sommige van sy toepassings sluit 'n beeldsensor, 3D-beelding, kwantumkriptografie, Ens.

Voordele en nadele van Avalanche Photodiode

Voordele van Avalanche Photodiode

• Dit kan lig van lae intensiteit opspoor.
• Sensitiwiteit is hoog.
• Reaksietyd is vinniger.
• ‌ 'n Enkele foton kan 'n groot aantal elektron-gat pare genereer.

Nadele van Avalanche Photodiode

• Hoë bedryfsspanning word vereis.
• Oormaat geraas as gevolg van draervermenigvuldiging.
• Uitset is nie lineêr nie.

Toepassing van Avalanche Photodiode

• LASER skandeerder.
• Strepiekodeleser.
• laserafstandmeters.
• Spoed geweer.
• Lasermikroskopie.
• PET skandeerder.
• Antenne Ontleder brug.

vrae

Wat is die reaksietyd van stortvloedfotodiode?

Die gemiddelde reaksietyd van verskillende stortvloedfotodiodes kan wissel van 30 ps tot 2 ms.

Wat gebeur as jy te veel lig na 'n stortvloedfotodiode (APD) stuur?

Te veel blootstelling aan lig oorverhit die diode en kan die toestel beskadig.

Hoe werk 'n stortvloedfotodiode?

Lawine fotodiode gebruik die stortvloed-afbreekspanning om ladingdraers te vermenigvuldig en stroom te verhoog.

Wat is die verskil tussen PIN-fotodiode en stortvloedfotodiode?

Avalanche fotodiodes het vier lae, en PIN-fotodiodes het drie lae. Ook, anders as PIN-fotodiodes, het APD's groot interne aanwins en fotosensitiwiteit as gevolg van ladingvermenigvuldiging.

Wat is die nadele van stortvloedfotodiode?

APD's is vatbaar vir hoë geraas as gevolg van impakionisasie, en die uitset is nie-lineêr. Ander beperkings is bespreek in "nadele van Avalanche Photo-diodes" afdeling.

Wat is die primêre voordeel van 'n stortvloedfotodiode?

Die primêre voordeel van die stortvloed foto-diode is sy sensitiwiteit en vermoë om lae-lig seine op te spoor.

Wat is die temperatuureffek op stortvloedtoename?

Versterking varieer lineêr met temperatuur aangesien omgekeerde afbreekspanning 'n lineêre verband met temperatuur het.

Waarom neem die sneeustorting toe met die temperatuur?

'n Styging in temperatuur verhoog die vibrasie van atome en verminder die gemiddelde vrye pad. Aangesien die pad kleiner word, benodig ladingdraers meer energie om te reis. Daarom moet die afbreekspanning verhoog word.

Vir meer elektroniese verwante artikel kliek hier