Лавинный фотодиод

Лавинный фотодиод ( ЛФД ) — это высокочувствительный тип фотодиода , который, как правило, представляет собой полупроводниковые диоды , использующие фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество. В ЛФД используются материалы и структура, оптимизированные для работы с высоким обратным смещением , приближающимся к напряжению обратного пробоя , так что носители заряда, генерируемые фотоэлектрическим эффектом, умножаются за счет лавинного пробоя ; таким образом, их можно использовать для обнаружения относительно небольшого количества света.

С функциональной точки зрения их можно рассматривать как полупроводниковый аналог фотоумножителей ; в отличие от солнечных элементов, они оптимизированы не для выработки электроэнергии из света, а для обнаружения входящих фотонов. Типичными областями применения ЛФД являются лазерные дальномеры дальнего действия , оптоволоконные телекоммуникации , позитронно-эмиссионная томография и физика элементарных частиц .

История

Лавинный фотодиод был изобретен японским инженером Дзюнъити Нисидзавой в 1952 году. ^[1] Однако изучение лавинного пробоя, микроплазменных дефектов в кремнии и германии, а также исследование оптического обнаружения с использованием pn-переходов предшествовали этому патенту.

Принцип работы

Фотодиоды обычно работают за счет ударной ионизации , при этом фотон обеспечивает энергию для разделения носителей заряда в полупроводниковом материале на положительную и отрицательную пару, что, таким образом, может вызвать поток заряда через диод. При приложении высокого напряжения обратного смещения любой фотоэлектрический эффект в диоде может быть умножен лавинным эффектом . Таким образом, ЛФД можно рассматривать как применение эффекта высокого усиления к индуцированному фототоку.

В общем, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Стандартный кремниевый ЛФД обычно может выдерживать обратное смещение 100–200 В перед пробоем, что приводит к коэффициенту усиления около 100. Однако, используя альтернативные методы легирования и скашивания (структурных) методов по сравнению с традиционными ЛФД, можно создавать конструкции где можно подать большее напряжение (> 1500 В) до того, как будет достигнут пробой , и, следовательно, достигается больший рабочий коэффициент усиления (> 1000).

Среди различных выражений для коэффициента умножения APD ( M ) поучительное выражение дает формула

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

где L - граница пространственного заряда для электронов, а $\alpha$ – коэффициент умножения электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и профиля легирования. Поскольку коэффициент усиления ЛФД сильно зависит от приложенного обратного смещения и температуры, необходимо внимательно следить за обратным напряжением, чтобы поддерживать стабильный коэффициент усиления.

Счет в режиме Гейгера

Если требуется очень высокий коэффициент усиления (10 ⁵ до 10 ⁶), детекторы, относящиеся к ЛФД, называемые SPAD ( однофотонные лавинные диоды ), могут использоваться и работать с обратным напряжением, превышающим типичного ЛФД напряжение пробоя . В этом случае сигнальный ток фотодетектора необходимо ограничить и быстро уменьшить. Для этой цели использовались методы активного и пассивного гашения тока. SPAD, работающие в этом режиме с высоким коэффициентом усиления, иногда называют режимом Гейгера. Этот режим особенно полезен для обнаружения одиночных фотонов при условии, что частота событий темнового счета и вероятность послеимпульсов достаточно низки.

Материалы

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

Кремний обнаруживает в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне с низким шумом умножения (избыточным шумом).
Германий (Ge) обнаруживает инфракрасное излучение с длиной волны до 1,7 мкм, но имеет высокий шум умножения.
InGaAs обнаруживает частицы на расстоянии более 1,6 мкм и имеет меньший шум умножения, чем Ge. Обычно он используется в качестве области поглощения гетероструктурного диода, чаще всего с использованием InP в качестве подложки и слоя умножения. ^[2] Эта система материалов совместима с окном поглощения примерно 0,9–1,7 мкм. InGaAs демонстрирует высокий коэффициент поглощения на длинах волн, соответствующих высокоскоростным телекоммуникациям с использованием оптических волокон всего несколько микрометров InGaAs . , поэтому для почти 100% поглощения света требуется ^[2] Коэффициент избыточного шума достаточно мал, чтобы обеспечить коэффициент усиления на полосу пропускания более 100 ГГц для простой системы InP/InGaAs. ^[3] и до 400 ГГц для InGaAs на кремнии. ^[4] Поэтому возможна высокоскоростная работа: коммерческим устройствам доступны скорости не ниже 10 Гбит/с. ^[5]
нитрида галлия светом использованы диоды на основе Для работы с ультрафиолетовым .
Диоды на основе HgCdTe работают в инфракрасном диапазоне, обычно на длинах волн примерно до 14 мкм, но требуют охлаждения для уменьшения темновых токов. В этой системе материалов можно достичь очень низкого избыточного шума.

Структура

ЛФД часто конструируются не как простые pn-переходы , а имеют более сложную конструкцию, например p+-ip-n+. ^[6]

Ограничения 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 общий ток утечки, который представляет собой сумму темнового тока, фототока и шума. Электронные компоненты темнового шума представляют собой последовательный и параллельный шум. Последовательный шум, являющийся эффектом дробового шума , в основном пропорционален емкости ЛФД, тогда как параллельный шум связан с флуктуациями объемного и поверхностного темновых токов ЛФД.

Усиление шума, коэффициент избыточного шума

Другим источником шума является коэффициент 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 фотоумножители, кремниевые твердотельные фотоумножители и ЛФД, которые умножают сигнал, и иногда его называют «шумом усиления». При коэффициенте усиления M он обозначается ENF( M ) и часто может быть выражен как

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

где $\kappa$ - отношение скорости ударной ионизации дырок 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, которые ограничивают, среди прочего, наилучшее возможное энергетическое разрешение.

Шум преобразования, коэффициент Фано

Термин шум для APD может также содержать коэффициент Фано, который представляет собой мультипликативную поправку, применяемую к шуму Пуассона, связанному с преобразованием энергии, выделяемой заряженной частицей в пары электрон-дырка, что является сигналом перед умножением. Поправочный коэффициент описывает уменьшение шума по сравнению со статистикой Пуассона из-за однородности 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 и дырок для сохранения энергии; в действительности, однако, энергия, выделяемая заряженной частицей, делится на генерацию пар электронов и дырок, генерацию звука, генерацию тепла и генерацию повреждения или смещения. Существование этих других каналов представляет собой стохастический процесс, при котором количество энергии, вложенной в любой отдельный процесс, варьируется от события к событию, даже если количество вложенной энергии одинаково.

Дальнейшие влияния

Основная физика, связанная с коэффициентом избыточного шума (шум усиления) и фактором Фано (шум преобразования), сильно различается. Однако применение этих коэффициентов в качестве мультипликативных поправок к ожидаемому пуассоновскому шуму аналогично. Помимо избыточного шума, существуют ограничения на производительность 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 лавинного умножения, умноженное на усиление, определяется произведением усиления на полосу пропускания первого порядка, которое является функцией структуры устройства и, в частности, $\kappa \,$ .

См. также

Ссылки

^ «Дзюнъити Нисидзава – инженер, специальный профессор Софийского университета – JAPAN QUALITY REVIEW» . Архивировано из оригинала 21 июля 2018 г. Проверено 15 мая 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Цанг, WT, изд. (1985). Полупроводники и полуметаллы . Том. 22, Часть Г «Фотоприемники». Академическая пресса.
^ Тароф, Л.Е. (1991). «Планарный лавинный фотодетектор InP/GaAs с произведением усиления в полосе пропускания более 100 ГГц». Электронные письма . 27 (1): 34–36. Бибкод : 1991ЭЛ....27...34Т . дои : 10.1049/эл:19910023 .
^ Ву, В.; Хокинс, Арканзас; Бауэрс, Дж. Э. (1997). Пак Юн Су; Рамасвами, Раму В. (ред.). «Разработка лавинных фотодетекторов InGaAs/Si для продуктов с полосой усиления 400 ГГц». Труды SPIE . Оптоэлектронные интегральные схемы. 3006 : 36–47. Бибкод : 1997SPIE.3006...38W . дои : 10.1117/12.264251 . S2CID 109777495 .
^ Кэмпбелл, Дж. К. (2007). «Последние достижения в области телекоммуникационных лавинных фотодиодов» . Журнал световых технологий . 25 (1): 109–121. Бибкод : 2007JLwT...25..109C . дои : 10.1109/JLT.2006.888481 . S2CID 1398387 .
^ https://www.elprocus.com/avalanche-photodiode/

Дальнейшее чтение

Лавинный фотодиод – Руководство пользователя [1]
Лавинный фотодиод – малошумящие приемники ЛФД [2]
Кагава, С. (1981). «Полностью ионно-имплантированные германиевые лавинные фотодиоды p+-n». Письма по прикладной физике . 38 (6): 429–431. Бибкод : 1981АпФЛ..38..429К . дои : 10.1063/1.92385 . хх
Хён, Кён Сук; Пак, Чан-Ён (1997). «Характеристики пробоя лавинного фотодиода InP/InGaAs со структурой слоя умножения выводов». Журнал прикладной физики . 81 (2): 974. Бибкод : 1997JAP....81..974H . дои : 10.1063/1.364225 .
Выбор правильного APD
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленного применения
Фотонные детекторы Excelitas Technologies [3]

[1] «Дзюнъити Нисидзава – инженер, специальный профессор Софийского университета – JAPAN QUALITY REVIEW» . Архивировано из оригинала 21 июля 2018 г. Проверено 15 мая 2017 г.

[tsang-2] Jump up to: ^а ^б ^с Цанг, WT, изд. (1985). Полупроводники и полуметаллы . Том. 22, Часть Г «Фотоприемники». Академическая пресса.

[3] Тароф, Л.Е. (1991). «Планарный лавинный фотодетектор InP/GaAs с произведением усиления в полосе пропускания более 100 ГГц». Электронные письма . 27 (1): 34–36. Бибкод : 1991ЭЛ....27...34Т . дои : 10.1049/эл:19910023 .

[4] Ву, В.; Хокинс, Арканзас; Бауэрс, Дж. Э. (1997). Пак Юн Су; Рамасвами, Раму В. (ред.). «Разработка лавинных фотодетекторов InGaAs/Si для продуктов с полосой усиления 400 ГГц». Труды SPIE . Оптоэлектронные интегральные схемы. 3006 : 36–47. Бибкод : 1997SPIE.3006...38W . дои : 10.1117/12.264251 . S2CID 109777495 .

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

[6] ttps://www.elprocus.com/avalanche-photodiode/

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]