Лавинные фотодиоды (ЛФД): принцип работы, характеристики и применение

Что такое лавинные фотодиоды. Как работают ЛФД. Какие преимущества у лавинных фотодиодов. Где применяются ЛФД. Какие ограничения есть у лавинных фотодиодов. Как изготавливаются ЛФД.

Принцип работы лавинных фотодиодов

Лавинные фотодиоды (ЛФД) — это высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие световой сигнал в электрический за счет внутреннего усиления. Как работает этот процесс?

• На ЛФД подается сильное обратное смещение, близкое к напряжению пробоя (сотни вольт)
• Падающие фотоны генерируют электрон-дырочные пары
• В сильном электрическом поле носители заряда ускоряются и приобретают высокую энергию
• Происходит процесс ударной ионизации — энергичные носители выбивают новые электрон-дырочные пары
• Возникает лавинное умножение носителей заряда, усиливающее первичный фототок в десятки и сотни раз

Благодаря внутреннему усилению, ЛФД обладают очень высокой чувствительностью и способны регистрировать предельно слабые световые сигналы мощностью менее 1 нВт.

Основные характеристики лавинных фотодиодов

Ключевые параметры, определяющие эффективность работы ЛФД:

• Коэффициент лавинного умножения M — показывает во сколько раз усиливается первичный фототок. Обычно M = 50-200.
• Квантовая эффективность — доля падающих фотонов, преобразуемых в электрический сигнал. У кремниевых ЛФД достигает 80-90%.
• Темновой ток — ток, протекающий через фотодиод в отсутствие освещения. Ограничивает чувствительность.
• Быстродействие — определяется временем нарастания импульса. У лучших образцов составляет единицы наносекунд.
• Спектральная чувствительность — диапазон длин волн, в котором работает ЛФД.

Преимущества лавинных фотодиодов

Какие достоинства имеют ЛФД по сравнению с другими фотоприемниками?

• Очень высокая чувствительность благодаря внутреннему усилению
• Возможность регистрации предельно слабых световых потоков
• Высокое быстродействие (до единиц ГГц)
• Низкий уровень шумов
• Широкий динамический диапазон
• Компактные размеры и низкое энергопотребление
• Возможность работы в видимом и ближнем ИК диапазоне

По своим возможностям ЛФД приближаются к вакуумным фотоэлектронным умножителям, являясь их твердотельным аналогом.

Области применения лавинных фотодиодов

Благодаря уникальным характеристикам, ЛФД нашли применение во многих областях науки и техники:

• Волоконно-оптические линии связи
• Лазерные дальномеры и системы 3D-сканирования
• Оптическая томография и медицинская диагностика
• Детекторы частиц в физике высоких энергий
• Системы ночного видения
• Квантовая криптография
• Лидары для беспилотных автомобилей

В последние годы активно развивается применение массивов (матриц) ЛФД для создания высокочувствительных фотоприемных устройств.

Ограничения лавинных фотодиодов

Несмотря на уникальные свойства, ЛФД имеют ряд ограничений:

• Необходимость высокого напряжения питания (сотни вольт)
• Сложность стабилизации рабочей точки
• Температурная зависимость характеристик
• Относительно высокая стоимость
• Меньшая надежность по сравнению с PIN-фотодиодами

Для преодоления этих ограничений ведутся работы по совершенствованию технологии ЛФД и схем их включения.

Технология изготовления лавинных фотодиодов

Как создаются современные ЛФД? Основные технологические этапы:

1. Выращивание высокочистой полупроводниковой подложки (обычно Si или InP)
2. Формирование эпитаксиальных слоев с заданным профилем легирования
3. Создание p-n перехода методом ионной имплантации
4. Нанесение контактов и антиотражающих покрытий
5. Корпусирование кристалла

Ключевую роль играет прецизионный контроль профиля легирования, обеспечивающий оптимальное распределение электрического поля в области умножения.

Перспективы развития лавинных фотодиодов

Какие тенденции наблюдаются в развитии технологии ЛФД?

• Создание ЛФД на основе широкозонных полупроводников (GaN, SiC) для работы в УФ диапазоне
• Разработка ЛФД с раздельными областями поглощения и умножения
• Интеграция ЛФД с электроникой считывания на одном кристалле
• Создание крупноформатных матриц ЛФД для систем технического зрения
• Применение наноструктур для улучшения характеристик ЛФД

Совершенствование технологии позволит расширить области применения ЛФД и создать новые типы высокочувствительных фотоприемных устройств.

Hamamatsu. Кремниевые фотодиоды

Hamamatsu выпускают кремниевые фотодиоды для работы в широком спектральном диапазоне, начиная от ближней инфракрасной области спектра и до ультрафиолетовой, есть фотодиоды со сцинтиллятором, предназначенные для приема сигнала X-ray диапазона. Фотодиоды Hamamatsu обладают высокой чувствительностью, малым временем отклика и низкими шумами.  Предназначены для применения при решении научных задач, в медицине, оптической связи; выпускаются с различным размером активной области, разных типов (PIN, лавинные, с охлаждением и пр.) и в разных вариантах корпусов (металлический, керамический, пластиковый и для поверхностного монтажа).

 

Каталоги

• Кремниевые фотодиоды (6.9 МБ, pdf)

  Общий каталог по кремниевым фотодиодам

• Лавинные кремниевые фотодиоды (3. 1 МБ, pdf)

  Обзорный каталог по лавинным фотодиодам Hamamatsu на основе кремния

• Руководство по кремниевым фотодиодам (8.3 МБ, pdf)

  Брошюра по кремниевым фотодиодам Hamamatsu с описанием технических нюансов

• Руководство по кремниевым лавинным фотодиодам Hamamatsu (7.0 МБ, pdf)

  Технические детали лавинных фотодиодов Hamamatsu

• Одиночные
• PIN
• Линейки
• Лавинные
• Модули лавинных фотодиодов
• Фотодиоды с охлаждением/усилением
• Сегментированные фотодиоды
• Цветовые детекторы

Одиночные

Артикул

λ от, нм

λmax, нм

Размер активной области, мм

Чувствительность на λmax, А/Вт

Темновой ток, нА

Корпус

Артикул	λ от, нм		λmax, нм	Размер активной области, мм	Чувствительность на λmax, А/Вт	Темновой ток, нА	Корпус
	от	до
S12498 new	400	1100	920	6. 0 × 6.0	0.57	0.01	PWB
S12497 new	400	1100	920	9.5 × 9.5	0.57	0.05	PWB
S10043	190	1000	720	10 × 10	15	0.1	Windowless package
S10355-01	400	1100	960	6.97 × 6.97	0.59	0.1	CSP (chip size package)
S10356-01	400	1100	960	2.5 × 2.5	0.59	0.01	CSP (chip size package)
S10625-01CT	320	1100	940	1.3 × 1.3	0.54	1	Glass epoxy
S1087	320	730	560	1.3 × 1.3	0.3	10	керамический
S1087-01	320	1100	960	1.3 × 1.3	0.58	10	керамический
S11141-10	340	1000	720	10 × 10	—	5	керамический
S11142-10	340	1000	720	14 × 14	—	3	керамический
S1133	320	730	560	2. 4 × 2.8	0.3	10	керамический
S1133-01	320	1100	960	2.4 × 2.8	0.58	10	керамический
S1133-14	320	1000	720	2.4 × 2.8	0.4	20	керамический
S1226-18BK	320	1000	720	1.1 × 1.1	0.36	2	TO-18
S1226-18BQ	190	1000	720	1.1 × 1.1	0.36	2	TO-18
S1226-44BK	320	1000	720	3.6 × 3.6	0.36	10	TO-5
S1226-44BQ	190	1000	720	3.6 × 3.6	0.36	10	TO-5
S1226-5BK	320	1000	720	2.4 × 2.4	0.36	5	TO-5
S1226-5BQ	190	1000	720	2. 4 × 2.4	0.36	5	TO-5
S1226-8BK	320	1000	720	5.8 × 5.8	0.36	20	TO-8
S1226-8BQ	190	1000	720	5.8 × 5.8	0.36	20	TO-8
S1227-1010BQ	190	1000	720	10 × 10	0.36	50	керамический
S1227-1010BR	340	1000	720	10 × 10	0.43	50	керамический
S1227-16BQ	190	1000	720	1.1 × 5.9	0.36	5	керамический
S1227-16BR	340	1000	720	1.1 × 5.9	0.43	5	керамический
S1227-33BQ	190	1000	720	2.4 × 2.4	0.36	5	керамический
S1227-33BR	340	1000	720	2. 4 × 2.4	0.43	5	керамический
S1227-66BQ	190	1000	720	5.8 × 5.8	0.36	20	керамический
S1227-66BR	340	1000	720	5.8 × 5.8	0.43	20	керамический
S12698	190	1000	800	1.1 × 1.1	0.38	10	TO-18
S12698-01	190	1000	800	2.4 × 2.4	0.38	30	TO-5
S12698-02	190	1000	800	5.8 × 5.8	0.38	100	TO-8
S12742-254	200	300	254	3.61 × 3.61	18	2	TO-5
S1336-18BK	320	1100	960	1.1 × 1.1	0.5	20	TO-18
S1336-18BQ	190	1100	960	1. 1 × 1.1	0.5	20	TO-18
S1336-44BK	320	1100	960	3.6 × 3.6	0.5	50	TO-5
S1336-44BQ	190	1100	960	3.6 × 3.6	0.5	50	TO-5
S1336-5BK	320	1100	960	2.4 × 2.4	0.5	30	TO-5
S1336-5BQ	190	1100	960	2.4 × 2.4	0.5	30	TO-5
S1336-8BK	320	1100	960	5.8 × 5.8	0.5	100	TO-8
S1336-8BQ	190	1100	960	5.8 × 5.8	0.5	100	TO-8
S1337-1010BQ	190	1100	960	10 × 10	0.5	200	керамический
S1337-1010BR	340	1100	960	10 × 10	0. 62	200	керамический
S1337-16BQ	190	1100	960	1.1 × 5.9	0.5	50	керамический
S1337-16BR	340	1100	960	1.1 × 5.9	0.62	50	керамический
S1337-21	190	1100	960	18 × 18	0.52	500	керамический (негермитизированный).
S1337-33BQ	190	1100	960	2.4 × 2.4	0.5	30	керамический
S1337-33BR	340	1100	960	2.4 × 2.4	0.62	30	керамический
S1337-66BQ	190	1100	960	5.8 × 5.8	0.5	100	керамический
S1337-66BR	340	1100	960	5.8 × 5.8	0.62	100	керамический
S1787-04	320	730	560	2. 4 × 2.8	0.3	10	пластиковый
S1787-08	320	1100	960	2.4 × 2.8	0.58	10	пластиковый
S1787-12	320	1000	650	2.4 × 2.8	0.35	20	пластиковый
S2281	190	1100	960	φ11.3	0.5	50	с байонетным выходом
S2281-01	190	1100	720	φ11.3	0.36	6	с байонетным выходом
S2281-04	190	1100	960	φ7.98	0.5	50	с байонетным выходом
S2386-18K	320	1100	960	1.1 × 1.1	0.6	2	TO-18
S2386-18L	320	1100	960	1.1 × 1.1	0.6	2	TO-18
S2386-44K	320	1100	960	3. 6 × 3.6	0.6	20	TO-5
S2386-45K	320	1100	960	3.9 × 4.6	0.6	30	TO-5
S2386-5K	320	1100	960	2.4 × 2.4	0.6	5	TO-5
S2386-8K	320	1100	960	5.8 × 5.8	0.6	50	TO-8
S2387-1010R	340	1100	960	10 × 10	0.58	200	керамический
S2387-130R	340	1100	960	1.2 × 29.1	0.58	100	керамический
S2387-16R	340	1100	960	1.1 × 5.9	0.58	5	керамический
S2387-33R	340	1100	960	2.4 × 2.4	0.58	5	керамический
S2387-66R	340	1100	960	5. 8 × 5.8	0.58	50	керамический
S2551	340	1060	920	1.2 × 29.1	0.6	1	керамический
S2833-01	320	1100	960	2.4 × 2.8	0.58	10	пластиковый SMT
S2833-04	320	1100	960	2.4 × 2.8	0.58	10	пластиковый DIP
S4011-06DS	320	1100	960	1.3 × 1.3	0.58	10	пластиковый SMT
S4797-01	320	1000	720	1.3 × 1.3	0.4	20	пластиковый DIP
S5627-01	320	840	540	1.3 × 1.3	0.3	50	пластиковый DIP
S6931-01	320	1000	720	2.4 × 2.8	0.48	20	пластиковый DIP
S7686	480	660	550	2. 4 × 2.8	0.38	2	керамический
S8265	340	720	540	2.4 × 2.8	0.3	3	керамический
S8552	170	1000	720	10 × 10	0.05	0.05	керамический (негермитизированный)
S8553	170	1000	720	18 × 18	0.1	0.1	керамический (негермитизированный)
S9195	320	1000	840	5 x 5	0.28	0.5	TO-8
S9219	380	780	550	ф11.3	550	50	с байонетным выходом
S9219-01	380	780	550	3.6 x 3.6	550	10	TO-5
S9674	320	1100	960	2 × 2	0.7	0.01	glass epoxy

PIN

Артикул

λ от, нм

λmax, нм

Размер активной области, мм

Темновой ток, нА

Корпус

Артикул	λ от, нм		λmax, нм	Размер активной области, мм	Чувствительность А/Вт	Темновой ток, нА	Корпус
	от	до
S13773 new	380	1000	800	ф0. 8	0.54	0.01	SMT
S10783	330	1040	760	ф0.8	0.52	0.01	SMT
S10784	340	1040	760	ф3.0	0.51	0.01	Plastic with lens
S10993-02CT	380	1100	960	1.06 × 1.06	0.6	0.02	Glass epoxy
S11499	360	1140	1000	ф3.0	0.6	0.05	TO-5
S11499-01	360	1140	1000	ф5.0	0.6	0.1	TO-8
S12028	360	1140	980	ф1.2	0.68	0.05	TO-18
S12158-01CT	320	1100	960	2.77 × 2.77	0.7	0.1	Glass epoxy
S1223	320	1100	960	2.4 × 2.8	0. 6	0.1	TO-5
S1223-01	320	1100	960	3.6 × 3.6	0.6	0.2	TO-5
S12271	190	1100	960	ф4.1	0.5	0.1	TO-8
S2506-02	320	1100	960	2.77 × 2.77	0.56	0.1	Plastic
S2506-04	760	1100	960	2.77 × 2.77	0.56	0.1	Plastic
S2744-08	340	1100	960	10 × 20	0.66	3	—
S2744-09	340	1100	960	10 × 20	0.66	3	—
S3071	320	1060	920	ф5.0	0.6	0.5	TO-8
S3072	320	1060	920	ф3.0	0.6	0.3	TO-5
S3204-08	340	1100	960	18 × 18	0. 66	6	—
S3204-09	340	1100	960	18 × 18	0.66	6	—
S3399	320	1000	840	ф3.0	0.6	0.1	TO-5
S3584-08	340	1100	960	28 × 28	0.66	10	—
S3584-09	340	1100	960	28 × 28	0.66	10	—
S3588-08	340	1100	960	3 × 30	0.66	3	—
S3588-09	340	1100	960	3 × 30	0.66	3	—
S3590-08	340	1100	960	10 × 10	0.66	2	—
S3590-09	340	1100	960	10 × 10	0.66	2	—
S3590-18	340	1100	960	10 × 10	0. 65	4	—
S3590-19	340	1100	960	10 × 10	0.58	4	—
S3759	360	1120	980	ф5	0.38	1	—
S3883	320	1000	840	ф1.5	0.6	0.05	TO-5
S3994-01	320	1100	960	10 × 10	0.65	3	—
S4707-01	320	1100	960	2.4 × 2.8	0.6	0.08	Clear plastic
S5106	320	1100	960	5 × 5	0.72	0.4	—
S5107	320	1100	960	10 × 10	0.72	0.9	—
S5821	320	1100	960	ф1.2	0.6	0.05	TO-18
S5821-01	320	1100	960	ф1. 2	0.6	0.05	TO-18
S5821-02	320	1100	960	ф1.2	0.6	0.05	TO-18
S5821-03	320	1100	960	ф1.2	0.6	0.05	TO-18
S5971	320	1060	900	ф1.2	0.64	0.07	TO-18
S5972	320	1000	800	ф0.8	0.57	0.01	TO-18
S5973	320	1000	760	ф0.4	0.52	0.001	TO-18
S5973-01	320	1000	760	ф0.4	0.52	0.001	TO-18
S5973-02	320	1000	760	ф0.4	0.4	0.001	TO-18
S6036	320	1100	960	ф7	0.56	0.1	Plastic
S6036-01	760	1100	960	ф7	0. 56	0.1	Plastic
S6775	320	1100	960	5.5 × 4.8	0.7	0.5	Plastic
S6775-01	700	1100	960	5.5 × 4.8	0.68	0.5	Plastic
S6801	320	1100	960	ф14	0.63	0.5	Plastic
S6801-01	700	1100	960	ф14	0.55	0.5	Plastic
S6967	320	1060	900	5.5 × 4.8	0.65	0.5	Plastic
S6968	320	1060	920	ф14	0.63	0.5	Plastic
S6968-01	700	1060	920	ф14	0.55	0.5	Plastic
S7478	320	1100	960	5 × 5	0.72	0.4	Plastic
S7509	320	1100	960	2 × 10	0. 72	0.5	—
S7510	320	1100	960	6 × 11	0.72	1	—
S8385	320	1100	960	2 × 2	0.56	0.1	Plastic
S8385-04			960	2 × 2	0.56	0.1	Plastic
S8650	340	1100	960	10 × 10	0.66	2	Plastic
S8729	320	1100	960	2 × 3.3	0.7	0.2	Plastic
S8729-04			960	2 × 3.3	0.68	0.2	Plastic
S8729-10	320	1100	960	2 × 3.3	0.7	0.2	Plastic
S9055	320	1000	700	ф0.2	0.25	1	TO-18
S9055-01	320	1000	700	ф0. 1	0.25	1	TO-18

Линейки

Артикул

λ от, нм

λmax, нм

Количество элементов

Чувствительность на λmax, А/Вт

Артикул	λ от, нм		λmax, нм	Количество элементов	Чувствительность на λmax, А/Вт	Корпус
	от	до
S4111-16R	340	1100	960	18	0. 58	ceramic DIPs
S4111-16Q	190	1100	960	18	0.58	ceramic DIPs
S4111-35Q	190	1100	960	40	0.58	ceramic DIPs
S4111-46Q	190	1100	960	48	0.58	ceramic DIPs
S4114-35Q	190	1000	800	40	0.5	ceramic DIPs
S4114-46Q	190	1000	800	48	0.5	ceramic DIPs
S11212-021	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S11212-121	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S11212-321	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S11212-421	340	1100	920	16	0. 67	ceramic DIPs
S11299-021	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S11299-121	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S11299-321	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S11299-421	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S12362-021	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S12363-021	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S12362-121	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S12363-121	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S12362-321	340	1100	920	16	0. 67	ceramic DIPs
S12363-321	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S12362-421	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs
S12363-421	340	1100	920	16	0.67	ceramic DIPs

Лавинные

Артикул

λ от, нм

λmax, нм

Размер активной области, мм

Корпус

Артикул	λ от, нм		λmax, нм	Размер активной области, мм	Чувствительность, А/Вт	Частота отсечки	Корпус
	от	до
S8664-02K	320	1000	600	ф0. 2	0.24	700 MHz	TO-5
S8664-05K	320	1000	600	ф0.5	0.24	680 MHz	TO-5
S8664-10K	320	1000	600	ф1.0	0.24	530 MHz	TO-5
S8664-20K	320	1000	600	ф2.0	0.24	280 MHz	TO-5
S8664-30K	320	1000	600	ф3.0	0.24	140 MHz	TO-8
S8664-50K	320	1000	600	ф5.0	0.24	60 MHz	TO-8
S8664-55	320	1000	600	5 х 5	0.24	40 MHz	Ceramic
S8664-1010	320	1000	600	10 х 10	0.24	11 MHz	Ceramic
S8890-02	400	1100	940	ф0.2	70	280 MHz	TO-5
S8890-05	400	1100	940	ф0. 5	70	240 MHz	TO-5
S8890-10	400	1100	940	ф1.0	70	230 MHz	TO-5
S8890-15	400	1100	940	ф1.5	70	220 MHz	TO-5
S8890-30	400	1100	940	ф3.0	70	220 MHz	TO-8
S12092-02	440	1100	860	ф0.2	0.52	400 MHz	TO-18
S12092-05	440	1100	860	ф0.5	0.52	400 MHz	TO-18
S9251-10	440	1100	860	ф1.0	0.52	380 MHz	TO-5
S9251-15	440	1100	860	ф1.5	0.52	350 MHz	TO-5
S10341-02	400	1000	800	ф0.2	0.5	1000 MHz	Plastic
S10341-05	400	1000	800	ф0. 5	0.5	900 MHz	Plastic
S11519-10	600	1150	960	ф1.0	70	400 MHz	TO-5
S11519-30	600	1150	960	ф3.0	70	230 MHz	TO-8
S12023-02	400	1000	800	ф0.2	0.5	1000 MHz	TO-18
S12023-05	400	1000	800	ф0.5	0.5	900 MHz	TO-18
S12051	400	1000	800	ф0.5	0.5	900 MHz	TO-18
S12086	400	1000	800	ф0.5	0.5	900 MHz	TO-18
S12023-10	400	1000	800	ф1.0	0.5	600 MHz	TO-18
S12023-10A	400	1000	800	ф1.0	0.5	600 MHz	TO-18
S3884	400	1000	800	ф1. 5	0.5	400 MHz	TO-5
S2384	400	1000	800	ф3.0	0.5	120 MHz	TO-5
S2385	400	1000	800	ф5.0	0.5	40 MHz	TO-8
S12053-02	200	1000	620	ф0.2	0.42	900 MHz	TO-18
S12053-05	200	1000	620	ф0.5	0.42	400 MHz	TO-18
S12053-10	200	1000	620	ф1.0	0.42	250 MHz	TO-18
S9075	200	1000	620	ф1.5	0.42	100 MHz	TO-5
S5344	200	1000	620	ф3.0	0.42	25 MHz	TO-5
S5345	200	1000	620	ф5.0	0.42	8 MHz	TO-8
S12060-02	400	1000	800	ф0. 2	0.5	1000 MHz	TO-18
S12060-05	400	1000	800	ф0.5	0.5	900 MHz	TO-18
S12060-10	400	1000	800	ф1.0	0.5	600 MHz	TO-18
S6045-04	400	1000	800	ф1.5	0.5	350 MHz	TO-5
S6045-05	400	1000	800	ф3.0	0.5	80 MHz	TO-5
S6045-06	400	1000	800	ф5.0	0.5	35 MHz	TO-8

Модули лавинных фотодиодов

Артикул

λ от, нм

Артикул	λ от, нм		λ max, нм	Размер активной области, мм	Чувствительность, А/Вт	Частота отсечки
	от	до
C10439-01	190	1100	960	2. 4 × 2.4	5	1 KHz
C10439-02	190	1100	960	5.8 × 5.8	5	1 KHz
C10439-03	190	1100	960	10 × 10	5	1 KHz
C10439-07	190	1100	960	2.4 × 2.4	0.5	100 KHz
C10439-08	190	1100	960	5.8 × 5.8	0.5	100 KHz
C10439-09	190	1100	960	10 × 10	0.5	100 KHz
C5658	400	1000	—	ф0.5	2.5 x 105 V/W	1 GHz
C10508-01	400	1000	800	ф1.0	0.5	10 MHz
C12702-03	400	1000	800	ф1.0	0.5	100 MHz
C12702-04	400	1000	800	ф3. 0	0.5	80 MHz
C12702-11	200	1000	620	ф1.0	0.42	100 MHz
C12702-12	200	1000	620	ф3.0	0.42	40 MHz
C12703	400	1000	800	ф1.5	0.5	10 MHz
C12703-01	400	1000	800	ф3.0	0.5	100 KHz

Фотодиоды с охлаждением/усилением

Артикул

λ от, нм

λmax, нм

Размер активной области, мм

Охлаждение

Усиление

Сцинтиллятор

Корпус

Артикул	λ от, нм		λmax, нм	Размер активной области, мм	Охлаждение	Усиление	Сцинтиллятор	Корпус
	от	до
S2592-03	190	1100	960	2. 4 × 2.4	да	нет	нет	TO-8
S3477-03	190	1100	960	2.4 × 2.4	да	нет	нет	TO-66
S2592-04	190	1100	960	5.8 × 5.8	да	нет	нет	TO-8
S3477-04	190	1100	960	5.8 × 5.8	да	нет	нет	TO-66
S8193	190	1000	720	7.9	нет	нет	нет	—
S8559	190	1000	720	7.9	нет	нет	да	—
S8745-01	190	1100	960	2.4 × 2.4	нет	нет	нет	TO-5
S8746-01	190	1100	960	5.8 × 5.8	нет	нет	нет	TO-8
S9269	340	1100	960	5. 8 × 5.8	нет	нет	нет	standard ceramic packages
S9270	340	1100	960	10 × 10	нет	нет	нет	standard ceramic packages
S9295	190	1100	960	10 × 10	да	да	нет	Compact hermetic package with sapphire window
S9295-01	190	1100	960	10 × 10	да	да	нет	Compact hermetic package with sapphire window

Сегментированные фотодиоды

Артикул

λ от, нм

λmax, нм

Размер активной области, мм

Число элементов

Частота отсечки

Корпус

Артикул	λ от, нм		λmax, нм	Размер активной области, мм	Число элементов	Частота отсечки	Корпус
	от	до
S3096-02	320	1100	960	1. 2 × 3	2	25 MHz	Plastic
S4204	320	1100	960	1 × 2	2	30 MHz	Plastic
S4349	190	1000	720	3	4	20 MHz	TO-5 metal
S5980	320	1100	960	5 × 5	4	25 MHz	Thin: 1.26 mmt
S5981	320	1100	960	10 х 10	4	20 MHz	Thin: 1.26 mmt
S5870	320	1100	960	10 х 10	2	10 MHz	Thin: 1.26 mmt
S9345	320	1100	960	1.5 × 1.5 (А) 1.5 × 4.1(B)	2	15 MHz	Thin plastic

Цветовые детекторы

Артикул

λ R, нм

λ G, нм

λ B, нм

λmax R, нм

— 615 620

λmax G, нм

— 530 540

λmax B, нм

— 460 465 540 660

Артикул	λ R, нм	λ G, нм	λ B, нм	λmax R, нм	λmax G, нм	λmax B, нм	Чувствительность, R, А/Вт или В/мВт	Чувствительность, G, А/Вт или В/мВт	Чувствительность, B, А/Вт или В/мВт	Темновой ток, пкА
S13683-02WT new	575-660	455-630	400-540	615	530	460	9. 48 || 94.5 counts/lx	7.61 || 76.2 counts/lx	3.35 || 31.7 counts/lx	5
C9303-03	590-720	480-600	400-540	620	540	460	-14	-20	-18	—
C9303-04	590-720	480-600	400-540	620	540	460	-108	-156	-122	—
S10917-35GT	590-680	470-600	390-530	620	540	460	0.17	0.23	0.2	1
S10942-01CT	590-1000	480-600; 760-1000	400-540; 800-1000	—	—	—	0.45	0.25	0.21	1
S11012-01CR	590-1000	480-600; 760-1000	400-540; 800-1000	—	—	—	1.4	0.6	0.3	1
S11059-02DT/-03DS	575-660	455-630	400-540	615	530	460	11. 2	8.3	4.4	5
S6428-01	—	—	400-540	—	—	460	—	—	0.22	5
S6429-01	—	—	480-600	—	—	540	—	—	0.27	5
S6430-01	—	—	590-720	—	—	660	—	—	0.45	5
S7505-01	590-720	480-600	400-540	620	540	460	0.16	0.23	0.18	10
S9032-02	590-720	480-600	400-540	620	540	460	0.16	0.23	0.18	5
S9702	590-720	480-600	400-540	620	540	460	0.16	0.23	0.18	1
S9706	590-720	480-600	400-540	615	540	465	0. 64	0.45	0.21	1

Задать вопрос

Лавинный фотодиод | это… Что такое Лавинный фотодиод?

Структура лавинного фотодиода на основе кремния: 1 — омические контакты, 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды (ЛФД; англ. avalanche photodiode — APD) — высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).

Содержание 1 Принцип работы 2 Применение 3 Шумы 4 Ограничения по быстродействию 5 Технологии изготовления 6 Лавинные диоды на сверхрешетках 7 См. также 8 Ссылки 9 Литература

Принцип работы

При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации (лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

Зависимость тока (I) и коэффициента умножения (M) от обратного напряжения (U) на ЛФД.

Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M), довольно информативной является следующая:

где L — длина области пространственного заряда, а  — коэффициент ударной ионизации для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного напряжения, температуры и профиля легирования. Отсюда возникает требование хорошей стабилизации питающего напряжения и температуры, либо учёт температуры задающей напряжение схемой.

Ещё одна эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения (M) от приложенного обратного напряжения^[1] :

где  — напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до 6, в зависимости от характеристик материала и структуры p-n-перехода.

Исходя из того, что в общем случае с возрастанием обратного напряжения растёт и коэффициент усиления, существует ряд технологий, позволяющих повысить напряжение пробоя до более чем 1500 вольт, и получить таким образом усиление более чем в 1000 раз. Следует иметь в виду, что простое повышение напряженности поля без предприятия дополнительных мер может привести к увеличению шумов.

Если требуются очень высокие коэффициенты усиления (10⁵ — 10⁶), возможна эксплуатация некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных. В этом случае требуется подавать на фотодиод ограниченные по току быстро спадающие импульсы. Для этого могут использоваться активные и пассивные стабилизаторы тока. Приборы, действующие таким образом работают в режиме Гейгера (Geiger mode). Этот режим применяется для создания однофотонных детекторов (при условии, что шумы достаточно малы)

Применение

Типичное применение ЛФД — лазерные дальномеры и волоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц^[2]. В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов лавинных фотодиодов.

Сфера применения и эффективность ЛФД зависят от многих факторов. Наиболее важными являются:

• квантовая эффективность, которая показывает, какая доля падающих фотонов приводит к образованию носителей заряда и возникновению тока;
• суммарный ток утечек, который складывается из темнового тока и шумов.

Шумы

Электронные шумы могут быть двух типов: последовательные и параллельные. Первые являются следствием дробовых флуктуаций и в основном пропорциональны ёмкости ЛФД, тогда как параллельные связаны с механическими колебаниями прибора и поверхностными токами утечки. Другим источником шума является фактор избыточного шума (excess noise factor),F. В нём описываются статистические шумы, которые присущи стохастическому процессу лавинного умножения M в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом:

где  — соотношение коэффициентов ударной ионизации для дырок и электронов. Таким образом, увеличение асимметрии коэффициентов ионизации приводит к уменьшению этих помех. К этому стремятся на практике, так как F(M) вносит основной вклад в ограничение разрешающей способности приборов по энергии.

Ограничения по быстродействию

Ограничения на скорость работы накладывают ёмкости, времена транзита электронов и дырок и время лавинного умножения. Ёмкость увеличивается с ростом площади переходов и уменьшением толщины. Время транзита электронов и дырок возрастает с увеличением толщины, что заставляет идти на компромисс между емкостью и временем. Задержки, связанные с лавинным умножением определяются структурой диодов применяемыми материалам, существует зависимость от .

Технологии изготовления

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на гетероструктуре InP-InGaAs. Фототок образован дырками.^[3]

Для создания данного класса приборов может быть использован широкий круг полупроводников:

• Кремний используется для работы в ближнем ИК-диапазоне, при этом имеет малые шумы, связанные с умножением носителей.
• Германий принимает инфракрасные волны длиной до 1.7 мкм, но приборы на его основе имеют заметные шумы.
• InGaAs обеспечивает приём волн длиной от 1.6 мкм, при этом имея меньшие нежели у германия шумы. Обычно этот материал используется для изготовления лавинных фотодиодов на гетероструктурах, также включающих InP в качестве подложки и второго компонента для создания гетероструктуры.^[4] Эта система имеет рабочий диапазон в пределах 0,7—0,9 мкм. У InGaAs высокий коэффициент поглощения на длинах волн, используемых в телекоммуникации через волоконно-оптические линии связи, таким образом достаточно даже микронных слоёв InGaAs для полного поглощения излучения .^[4]. Эти материалы обеспечивают небольшие задержки и малые шумы, что позволяет получить устройства с полосой частот более 100 ГГц для простой InP / InGaAs системы^[5] и до 400 ГГц для InGaAs на кремнии^[6]. Это делает возможным передачу данных на скоростях, превышающих 10 Гбит/с^[7]
• Диоды на основе Нитрида галлия используются для работы в ультрафиолетовом диапазоне волн.
• HgCdTe применяется для изготовления диодов, работающих в инфракрасной части спектра, обычно максимальная длина волны составляет около 14 µm. При этом они требуют охлаждения для сокращения темновых токов. Такая система способна обеспечить очень низкий уровень помех.

Лавинные диоды на сверхрешетках

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешетке. ^[3]

Причина применения сверхрешеток для построения лавинных фотодиодов заключается в том, что большие различия между коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок приводят к сокращению шумов.

Ещё одно преимущество подобных структур в том, что процесс лавинного размножения более локализован, что также уменьшает помехи. Толщины отдельных слоёв лежат между 100 и 500 Å.

См. также

• Фототранзистор
• Фототиристор
• Фоторезистор
• Оптрон
• PIN-диод

Ссылки

1. ↑ Оптическая и квантовая электроника: учебник для ВУЗов / А. Н. Пихтин — М.: Высшая школа, 2001, страница 522
2. ↑ Recent Progress of Photosensor
3. ↑ ^{1 2} Kwok K. Ng Complete Guide to Semiconductor Devices. — 2. — Wiley-Interscience, 2002.
4. ↑ ^{1 2} Semiconductors and Semimetals / Tsang, W. T.. — Academic Press, 1985. — Vol. Vol. 22, Part D «Photodetectors».
5. ↑ Tarof, L.E. (1991). «Planar InP/GaAs Avalanche Photodetector with Gain-Bandwidth Product in Excess of 100 GHz». Electronics Letters 27: 34–36. DOI:10.1049/el:19910023.
6. ↑ Wu, W.; Hawkins, A.R.; Bowers, J.E. (1997). «Design of InGaAs/Si avalanche photodetectors for 400-GHz gain-bandwidth product». Proceedings of SPIE 3006: 36–47. DOI:10.1117/12.264251.
7. ↑ Campbell, J. C. (2007). «Recent advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes». IEEE Journal of Lightwave Technology 25: 109–121. DOI:10.1109/JLT.2006.888481.

Литература

• (1981) «Fully ion-implanted p+-n germanium avalanche photodiodes». Applied Physics Letters 38: 429. DOI:10.1063/1.92385.
• (1997) «Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure». Journal of Applied Physics 81: 974. DOI:10.1063/1.364225.
• Selecting the right APD
• Pulsed Laserdiodes and Avalanche Photodiodes for Industrial Applications

Что такое лавинный фотодиод? | Его 5+ важных применений и характеристик – Lambda Geeks

Определение лавинного фотодиода

Лавинные фотодиоды или ЛФД — это высокочувствительные полупроводниковые устройства, которые преобразуют оптические сигналы в электрические. Они работают при высоком обратном смещении. Термин «лавина» происходит от явления лавинообразного разрушения.

Символ лавинного фотодиода

Обозначение лавинного фотодиода такое же, как и у стабилитрона.

Структура лавинного фотодиода

По структуре обычный фотодиод Avalanche аналогичен PIN-фотодиоду. Он состоит из двух сильно легированных (p + и n + -области) и двух слаболегированных (I или собственная область и P-область). Ширина обедненного слоя в собственной области в APD относительно меньше, чем у фотодиода PIN. Область p + действует как анод, а n + действует как катод. Обратное смещение в основном применяется в области pn +.

Схема лавинного фотодиода«Файл: APD3 German.png» by Кирнехкриб под лицензией CC BY-SA 3.0

Для применения условий обратного смещения область p + подключается к отрицательному выводу, а область n + подключается к положительному выводу батареи.

Принцип работы лавинного фотодиода«Файл: APD2 German.png» by Кирнехкриб под лицензией CC BY-SA 3.0

• Срыв лавины происходит, когда диод подвергается высокому обратному напряжению.
• Напряжение обратного смещения увеличивает электрическое поле на обедненном слое.
• Падающий свет попадает в p + -область и далее поглощается в p-области с высоким сопротивлением. Здесь образуются электронно-дырочные пары.
• Сравнительно более слабое электрическое поле вызывает разделение между этими парами. Электроны и дырки дрейфуют со своей скоростью насыщения к области pn +, где существует сильное электрическое поле.
• Когда скорость максимальна, носители сталкиваются с другими атомами и порождают новые электронно-дырочные пары. Большое количество пар eh приводит к высокому фототоку.

Характеристики лавинного фотодиода

• Собственная область в APD слегка легирована p-типом. Его еще называют ?-область.
• Область n + самая тонкая и освещается через окно.
• Электрическое поле максимально на pn + переходе, затем оно начинает убывать через p-область. Его интенсивность уменьшается в? -Области и постепенно исчезает в конце p + -слоя.
• Даже один поглощенный фотон приводит к генерации огромного количества электронно-дырочных пар. Это называется внутренний процесс усиления.
• Избыточная генерация электронно-дырочных пар из-за столкновения носителей заряда называется лавинное умножение. Коэффициент умножения или усиление,

[Latex]M=\frac{I_{ph}}{I_{pho}}[/Latex]

где i_ph= умноженный фототок APD

            i_фо= фототок до умножения

Значение M сильно зависит от обратное смещение и температура Также.

Эксплуатация лавинного фотодиода

ЛПД работают в полностью разряженном режиме. Помимо режима линейной лавины, APD могут также работать в Режим Гейгера. В этом режиме работы фотодиод работает при напряжении выше напряжения пробоя. Недавно был введен еще один режим, который называется режимом Суб-Гейгера. Здесь наряду с однофотонной чувствительностью очень велико внутреннее усиление, чуть ниже пробоя.

Ударная ионизация в лавинных фотодиодах 

После поглощения фотонов в? -Слое образуется достаточное количество электронно-дырочных пар. Электрическое поле разделяет пары, и независимые носители заряда бегут в области n + и p +. В p-области электроны испытывают мощное электрическое поле. Под действием этого поля электроны дрейфуют со скоростью насыщения и сталкиваются. Это столкновение способствует умножению заряда. Это общее явление называется ударная ионизация.

Скорость ионизации, [Латекс] к = \ гидроразрыва {\ альфа} {\ бета} [/ Латекс]

где ⍺ = скорость электронов

            ꞵ = скорость отверстий  

Схема лавинного фотодиодаИзображение кредита: «Файл: Avalanche Photodiode 00. png» by Патрик-Эмиль Цёрнер (de: Benutzer: Paddy) под лицензией CC BY 2.0

Технический паспорт лавинного фотодиода

фотодетектор	Длина волны	чувствительность	Темный ток
InGaAs ЛФД	1310 1550-нм	0.8 А / Вт	30 нА
Германий APD	1000 1500-нм	0.7 А / Вт	1000 нА

Лавинный фотодиодный модуль

APD являются частью модулей, которые содержат дополнительные электронные элементы помимо фотодиода. В некоторых корпусах может быть операционный усилитель с трансимпедансным сопротивлением, который улучшает характеристики и увеличивает полосу пропускания и чувствительность. Некоторые пакеты оптимизированы для использования в оптоволокне. Некоторые включают термодатчики для повышения стабильности.

Лавинная фотодиодная матрица

Матрицы лавинных фотодиодов имеют небольшие размеры и также дают прибыль от аренды. Они разработаны специально для использования в лидарах, лазерных дальномерах и т. Д. Хотя матрицы APD еще не являются массовым продуктом, некоторые производители делают их из-за их уникальных характеристик.

Шум от лавинного фотодиода

Основными составляющими шума в APD являются: 

• Квантовый или дробовой шум (i_Q): Основная причина этого — лавинообразный процесс. 
• Шум темнового тока: Шум темнового тока возникает из-за отсутствия света в фотодиоде. Далее его можно разделить на объемный токовый шум (i_DB) и шум поверхностного тока (i_DS).
• Тепловой шум: Это шум усилителя, подключенного к фотодиоду.

Из-за умножения несущих к существующим шумам добавляется значительный шум. Он известен как коэффициент избыточного шума or ENF.

ENF или F (M)= [Latex]kM + \left ( 2-\frac{1}{M} \right )\left ( 1-k \right )[/Latex]

где M = коэффициент умножения

            k = коэффициент ударной ионизации

Следовательно, среднеквадратичное значение общего шума i_N в APD есть,

[Латекс]\left \langle i_{N}^{2} \right \rangle = \left \langle i_{Q}^{2} \right \rangle + \left \langle i_{DB}^{2} \ вправо \rangle + \left \langle i_{DS}^{2} \right \rangle = 2q\left ( I_{P}+I_{D} \right )BM^{2}F\left ( M \right ) + 2qI_{L}B[/латекс]

где 

q = заряд электрона

I_p= фототок

B = пропускная способность

M = коэффициент умножения

I_D= объемный темновой ток

I_L= ток поверхностной утечки

Тепловой шум в трансимпедансном усилителе составляет,

[Латекс]\left \langle i_{T}^{2} \right \rangle = \frac{4k_{B}TB}{R_{L}}[/Latex]

где k_B= Постоянная Больцмана

           T = абсолютная температура

           R_L= сопротивление нагрузки

Разница между PIN-кодом и лавинным фотодиодом | Лавинный фотодиод против фотодиода с PIN-кодом

Лавинный фотодиод	параметры	PIN Фотодиод
Четыре слоя — P +, I, P, N +	Слои	Три слоя — P +, I, N +
Очень высоко	Время реакции	Очень меньше
Низкое значение тока	Выходной ток	Умножение несущей вызывает усиленное значение тока
Прирост может достигать 200	Внутреннее усиление	Прирост незначительный
Очень чувствительный	чувствительность	Чуть менее чувствительный
Усилители могут улучшить производительность, но APD все еще может работать без этого, поскольку усиление уже есть.	Усилитель	Нет внутреннего усиления, поэтому использование усилителей обязательно.
Выше из-за умножения заряда	Шум	Сравнительно меньше, чем у APD
Экстремально высокий	Обратное напряжение смещения	Низкий
Большой	Стабильность температуры	Не очень

Лавинный фотодиодный усилитель

Как и PIN-фотодиоды, в APD также используется четырехканальный трансимпедансный усилитель для снижения шума, высокого импеданса и низкого энергопотребления. Некоторые усилители также обладают гибкостью по температуре и высокой надежностью. Все эти характеристики делают фотодиод пригодным для использования в LIDAR-приемниках.

Лавинный фотодиодный детектор

ЛФД предпочтительнее фотодиодов с PIN-кодом при обнаружении света из-за их повышенной чувствительности. При относительно высоком напряжении количество носителей заряда увеличивается, и они ускоряются под действием сильных электрических полей. Происходит внутреннее столкновение, и происходит умножение заряда. В результате увеличивается значение фототока, что улучшает общий процесс обнаружения фото.

Лавинный фотодиод в волоконно-оптической связи

В системах оптоволоконной связи APD обычно необходимы для обнаружения слабых сигналов. Схема должна быть достаточно оптимизирована, чтобы обнаруживать слабые сигналы, поддерживая высокий уровень. SNR (отношение сигнал / шум), Вот,

[Latex]SNR=\frac{мощность\: от \:\:фототок}{мощность\:\:фотодетектор + мощность\:\:усилитель\:шум}[/Latex]

Для достижения хорошего отношения сигнал / шум квантовая эффективность должна быть высокой. Поскольку это значение почти близко к максимальному значению, большинство сигналов обнаруживается.

Сравнение APD и PMT | Лавинный фотодиод против фотоумножителя

Лавинный фотодиод	Фотоэлектронный умножитель
Он состоит из четырех слоев с разной концентрацией легирования.	Он состоит из фотокатода, динодов и вакуумной стеклянной трубки.
Он использует явление лавинного умножения для создания носителей заряда.	Он использует технику поглощения фотонов для испускания избыточных электронов.
Он превращает фотоны в электроны.	Он увеличивает количество электронов.
APD очень чувствительны.	Чувствительность ФЭУ ограничена.
Стоимость APD ниже, чем у PMT.	ФЭУ — самые дорогие устройства.

ЛФД и схемы гашения 

1. Схема пассивного гашения: В схеме этого типа используется нагрузочный резистор, пассивный элемент, для гашения импульса пробоя. Фотоэлектроны вызывают лавину. По цепи пропускается большой ток, чтобы избежать нехватки электронов или дырок в области лавины, и диод остается в проводящем состоянии.

2. Активное тушение схема: Пока диоды перезаряжаются, вероятность столкновения с ним другого фотоэлектрона очень мала. Чтобы свести к минимуму мертвое время, выполняется «активное гашение». Напряжение смещения временно падает, и эта задержка позволяет собрать все электроны и дырки. Когда напряжение снова увеличивается, в обедненной области не остается ни одного электрона.

InGaAs лавинный фотодиод

InGaAs или арсенид индия-галлия широко используется в полупроводниковых устройствах. Лавинные фотодиоды InGaAs используются для передачи данных на большие расстояния по оптоволокну. Они могут выполнять фото-детектирование в диапазоне 1100-1700 нм. Лавинные фотодиоды InGaAs лучше обычных германиевых лавинных фотодиодов с точки зрения отношения сигнал / шум и чувствительности.

Лавинный фотодиод большой площади

APD с большой площадью или LAAPD — это легкие фотодиоды с большой площадью активации. Его особенности включают быстрое время отклика, улучшенное соотношение сигнал / шум, нечувствительность к магнитным полям и т. Д.

Ультрафиолетовый–УФ-лавинный фотодиод

Ультрафиолетовые лавинные фотодиоды обладают выдающейся чувствительностью при работе в режиме Гейгера. УФ-ЛФД из карбида кремния демонстрирует высокий коэффициент усиления сигнала и исключительную чувствительность. УФ-ЛФД идеально подходят для обнаружения ультрафиолетового пламени.

Кремниевый лавинный фотодиод

ЛФД с высоким содержанием кремния отлично подходят для обнаружения при слабом освещении. Внутреннее умножение отличается высокой светочувствительностью, что позволяет обнаруживать сигналы при слабом освещении. Он также имеет улучшенную линейность, низкую оконечную емкость и низкотемпературный коэффициент. Некоторые области применения кремниевых лавинных фотодиодов — оптические дальномеры, лазерные радары, FSO и т. Д. 

Кремниевый лавинный фотодиодный массив

В многоэлементных кремниевых ЛФД обедненная область создается чуть ниже светочувствительной области. Благодаря этому матрица APD умножает падающий свет. Носители заряда ударились в обедненную область. Это означает, что массивы кремниевых лавинных фотодиодов имеют низкие перекрестные помехи из-за усиления.

Лавинный фотодиод режима Гейгера

Лавинные фотодиоды Гейгера разработаны как альтернатива фотоэлектронным умножителям. В GAPD используется принцип однофотонного счета при напряжении, немного превышающем пороговое напряжение пробоя. При таком напряжении даже одна пара электрон-дырка способна спровоцировать сильную лавину. В этой ситуации цепи гашения снижают напряжение на доли секунды. Это на время остановит лавину, и возможно фото-детектирование.

Методы счета фотонов с помощью кремниевых лавинных фотодиодов

На протяжении многих лет в лавинных фотодиодах используются два типа методов счета фотонов. 

• ‌Режим Гейгера
• ‌ Режим суб-Гейгера

Исследования показывают, что режим Гейгера отлично улучшает характеристики при использовании схем гашения.

Однофотонный лавинный фотодиод | Счетчик одиночных фотонов лавинный фотодиод

Их также называют SAPD. SAPD обладают высокой светочувствительностью и оптимизированы для работы с высокой квантовой частотой. Некоторые из его приложений включают датчик изображения, трехмерное изображение, квантовая криптография, И т.д.

Преимущества и недостатки лавинного фотодиода

Преимущества лавинного фотодиода

• ‌Он может обнаруживать свет низкой интенсивности.
• ‌Чувствительность высокая.
• ‌Ответ быстрее.
• ‌Один фотон может генерировать большое количество электронно-дырочных пар.

Недостатки лавинного фотодиода

• ‌ Требуется высокое рабочее напряжение.
• ‌ Избыточный шум из-за умножения несущей.
• ‌Выход не линейный.

Применение лавинного фотодиода

• ЛАЗЕРНЫЙ сканер.
• считыватель бар-кода.
• ‌Лазерные дальномеры.
• ‌Скоростной пистолет.
• ‌Лазерная микроскопия.
• ‌Сканер ПЭТ.
• антенна Мост анализатора.

Часто задаваемые вопросы

Какое время срабатывания лавинного фотодиода?

Среднее время отклика различных лавинных фотодиодов может составлять от 30 пс до 2 мс.

Что произойдет, если вы направите слишком много света на лавинный фотодиод (APD)?

Слишком сильное воздействие света приводит к перегреву диода и может повредить устройство.

Как работает лавинный фотодиод?

Лавинный фотодиод использует напряжение лавинного пробоя для умножения носителей заряда и увеличения тока.

В чем разница между фотодиодом с PIN-кодом и лавинным фотодиодом?

Лавинные фотодиоды имеют четыре слоя, а фотодиоды с PIN-кодом — три слоя. Кроме того, в отличие от фотодиодов с PIN-кодом, APD имеют большое внутреннее усиление и светочувствительность из-за умножения заряда.

Какие недостатки у лавинного фотодиода?

ЛФД подвержены сильному шуму из-за ударной ионизации, а выходной сигнал нелинейный. Другие ограничения обсуждались в разделе «Недостатки лавинных фотодиодов».

В чем основное преимущество лавинного фотодиода?

Основным преимуществом лавинного фотодиода является его чувствительность и способность обнаруживать слабые сигналы.

Какое влияние оказывает температура на лавинный прирост?

Коэффициент усиления линейно зависит от температуры, поскольку напряжение обратного пробоя имеет линейную зависимость от температуры.

Почему лавинный распад увеличивается с повышением температуры?

Повышение температуры увеличивает колебания атомов и уменьшает длину свободного пробега. Поскольку путь становится меньше, носителям заряда требуется больше энергии для перемещения. Следовательно, необходимо увеличить напряжение пробоя.

Для получения дополнительной статьи по электронике нажмите сюда

фотодиодов Avalanche, объяснение в энциклопедии RP Photonics; АФД, счет фотонов, режим Гейгера, умножение, фотодетектор

Домашний	Викторина	Руководство покупателя
Поиск	Категории	Глоссарий	)»> Реклама

Прожектор фотоники

Учебники

Показать статьи A-Z

Примечание: поле поиска по ключевому слову статьи и некоторые другие функции сайта требуют Javascript, который, однако, отключен в вашем браузере.

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

.

Список поставщиков
лавинных фотодиодов

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Лавинный фотодиод представляет собой полупроводниковый фотодетектор (фотодиод), который работает при относительно высоком обратном напряжении (обычно десятки или даже сотни вольт), иногда чуть ниже пробоя. В этом режиме носители (электроны и дырки), возбуждаемые поглощенными фотонами, сильно ускоряются в сильном внутреннем электрическом поле, так что они могут генерировать вторичные носители. Лавинный процесс, который может происходить, например, на расстоянии всего в несколько микрометров, эффективно усиливает фототок в значительный раз, хотя и не так сильно, как в фотоумножителе. Следовательно, лавинные фотодиоды можно использовать для очень чувствительных детекторов, которые требуют меньшего электронного усиления сигнала и, следовательно, менее чувствительны к электронным шумам.

Типичные области применения лавинных фотодиодов включают приемники в оптоволоконной связи, дальномеры, визуализацию, высокоскоростные лазерные сканеры, лазерную микроскопию и оптические рефлектометры (OTDR).

Отзывчивость

Фигура 1: Лавинные фотодиоды. Источник: Excelitas Technologies

Текущий процесс усиления сильно увеличивает чувствительность APD. Обратите внимание, однако, что коэффициент усиления и, следовательно, чувствительность сильно зависят от обратного напряжения, а также могут существенно различаться от устройства к устройству. Поэтому обычно указывается определенный диапазон напряжения, в пределах которого все устройства достигают определенной чувствительности. Для точных измерений малой световой мощности лавинные диоды вряд ли подходят, поскольку их чувствительность далеко не так хорошо определена, как, например, у p-i-n-диода.

Квантовая эффективность

Несмотря на высокую чувствительность, квантовая эффективность ЛФД не обязательно высока — определенно ниже 100% и, возможно, ниже, чем у других фотодиодов. Это означает, что некоторые из падающих фотонов не вносят вклад в фототок, хотя другие фотоны вносят очень большой вклад, вызывая лавину электронов.

Материалы и диапазоны длин волн

Лавинные фотодиоды на основе кремния чувствительны в диапазоне длин волн от ≈ 450 до 1000 нм (иногда до 1100 нм), при этом максимальная чувствительность приходится на область 600–800 нм, т.е. на несколько более короткие длины волн, чем у кремния p–i– н диоды. В зависимости от устройства и приложенного обратного напряжения коэффициент умножения (также называемый коэффициент усиления ) кремниевых ЛФД может варьироваться от 50 до 1000. Для более длинных волн, примерно до 1,7 мкм, используются ЛФД на основе арсенида германия или индия-галлия (InGaAs). Они имеют более низкие текущие коэффициенты умножения от 10 до 40. InGaAs APD значительно дороже, чем на основе германия, но обладают лучшими шумовыми характеристиками и более широкой полосой обнаружения. Их высокий коэффициент поглощения позволяет использовать достаточно тонкий поглощающий слой. Другая возможность заключается в использовании устройств германий/кремний (GeSi), в которых излучение поглощается в германии, а носители переносятся в область кремния для умножения заряда [10, 14].

Менее распространенными полупроводниковыми материалами для APD являются нитрид галлия (GaN) для ультрафиолетового света и HgCdTe для среднего инфракрасного диапазона до длины волны ≈14 мкм (используется в криогенных условиях).

Ширина полосы обнаружения

Полоса обнаружения, достигаемая с помощью лавинных диодов, может быть довольно высокой, хотя существует неотъемлемый компромисс между полосой пропускания и коэффициентом усиления. С другой стороны, повышенная чувствительность может позволить работать с меньшим шунтирующим резистором, чем с обычным фотодиодом, и этот эффект может компенсировать возможный недостаток скорости лавинного диода.

Шум обнаружения

Большая чувствительность ЛФД может помочь уменьшить шум обнаружения, так как он значительно снижает влияние электронных шумов на фотодиодный предусилитель, который впоследствии будет использоваться. Таким образом, шумовые характеристики фотодетекторов с ЛФД могут быть лучше, чем у устройств с обычными p-i-n-фотодиодами, когда ограничивающим фактором являются электронные шумы.

С другой стороны, сам лавинный процесс подвержен квантовому шуму и шуму усиления, что может свести на нет упомянутое преимущество. Избыточный шум из-за этих эффектов количественно определяется с помощью коэффициент избыточного шума F ; это коэффициент, на который мощность электронного шума увеличивается по сравнению с мощностью идеального фотодетектора. Величина избыточного шума зависит от многих факторов: величины обратного напряжения, свойств материала (в частности, коэффициента ионизации κ) и конструкции устройства. Коэффициент избыточного шума увеличивается с увеличением коэффициента усиления, как это получается при увеличении обратного напряжения. Поэтому обратное напряжение часто выбирают таким образом, чтобы шум умножения примерно равнялся шуму электронного усилителя, потому что эта настройка минимизирует общий шум.

Режим Гейгера для подсчета одиночных фотонов

При работе в так называемом режиме Гейгера с тщательно разработанной электроникой лавинные фотодиоды могут использоваться даже для счета одиночных фотонов со скоростью темнового счета значительно ниже 1 кГц и с квантовой эффективностью в несколько десятков процентов, а иногда даже значительно выше 50%. Режим Гейгера означает, что диод работает немного выше порогового напряжения пробоя, когда одиночная электронно-дырочная пара (созданная поглощением фотона или тепловыми флуктуациями) может вызвать сильную лавину. В случае такого события электронная схема гашения снижает напряжение на диоде ниже порогового напряжения на короткое время, так что лавина останавливается, и детектор готов к регистрации дальнейших фотонов после некоторого времени восстановления, например, 100 нс. Это мертвое время представляет собой существенное ограничение этой технологии. Он ограничивает скорость счета порядка 10 МГц, тогда как лавинный диод в линейном режиме (т. е. работающий с более низким обратным напряжением) может работать с полосой пропускания в несколько гигагерц. Так что такие устройства имеют ограниченную квантовую эффективность, т. е. не каждый падающий фотон может вызвать лавину.

APD со счетом фотонов также называются SPAD = однофотонные лавинные диоды . При оптимизации для высокой квантовой эффективности их можно использовать в экспериментах по квантовой оптике (например, для квантовой криптографии) и в некоторых из упомянутых выше приложений, если требуется чрезвычайно высокая чувствительность. SPAD с оптимизированной электроникой усилителя также доступны в форме интегрированной CMOS, даже в виде больших фотодиодных матриц, например. для использования в качестве датчиков изображения для однофотонного 3D-изображения посредством обнаружения с временным разрешением [9].].

Удивительно, но можно даже измерить количество фотонов, поглощенных за определенный короткий промежуток времени в активной области лавинного фотодиода [8]. Для этого необходимо точно измерить нарастание фототока в начале лавины.

Модули лавинных диодов

Лавинные диоды

поставляются в составе модулей, которые помимо фотодиода также содержат дополнительные электронные компоненты. В частности, в корпус может быть встроен усилитель тока (трансимпедансный усилитель), который не только уменьшает количество деталей, необходимых на печатной плате, но также улучшает шумовые характеристики и приводит к лучшему сочетанию полосы пропускания и чувствительности. Некоторые модули были специально оптимизированы для использования в системах оптоволоконной связи и соединены оптоволокном. Также возможно интегрировать электронику гашения, необходимую для работы в режиме Гейгера.

Кремниевые фотоумножители

Важным отличием лавинного фотодиода от фотоумножителя является то, что последний имеет гораздо большую активную площадь. Однако можно сконструировать так называемые кремниевые фотоумножители , содержащие массивы лавинных диодов на основе кремния, где суммарная активная площадь может быть достаточно большой.

Помимо большой активной площади, кремниевые фотоумножители также подходят для измерения количества фотонов [12], даже если одиночные диоды не подходят: можно подсчитать общее количество диодов, которые запускаются слабым падающим оптическим импульсом. Это число хорошо аппроксимирует число фотонов (умноженное на квантовую эффективность) при условии, что вероятность попадания более чем одного фотона в один диод достаточно мала.

Фототранзисторы

Другой тип полупроводникового фотодетектора, в котором также используется усиление фототока, — это фототранзистор. Здесь, правда, усиление основано на других принципах, да и рабочие характеристики тоже совсем другие.

Поставщики

В Руководстве покупателя RP Photonics указаны 23 поставщика лавинных фотодиодов. Среди них:

Menlo Systems

Серия лавинных фотодиодов APD компании Menlo Systems обеспечивает высочайшую чувствительность к низкоуровневым входным сигналам и очень короткое время нарастания сигнала.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

  (Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	Р. Дж. Макинтайр, «Шум умножения в однородных лавинных диодах», IEEE Trans. Electron Devices 13 (1), 164 (1966), doi: 10.1109/T-ED.1966.15651
[2]	Дж. С. Марсланд, «О влиянии ионизационных мертвых зон на лавинное умножение и шум для однородного электрического поля ”, J. Appl. физ. 67 (4), 1929 (1990), doi:10.1063/1.345596
[3]	M.M. Hayat et al. , «Влияние мертвого пространства на усиление и шум в лавинных фотодиодах Si и GaAs», IEEE J. Quantum Electron.28 (5), 1360 (19).92), doi:10.1109/3.135278
[4]	C. Hu et al. , “Шумовые характеристики лавинных фотодиодов GaAs с тонкой областью умножения”, Прикл. физ. лат. 69 (24), 3734 (1996), doi:10.1063/1.117205
[5]	A. Rochas et al. , «Детектор одиночных фотонов, изготовленный по комплементарной высоковольтной технологии металл-оксид-полупроводник», Rev. Sci. Инструм. 74 (7), 3263 (2003), doi:10.1063/1.1584083
[6]	Д. Ренкер, «Гейгеровские лавинные фотодиоды, история, свойства и проблемы», Nuclear Instrum. Мет. физ. Research A 567, 48 (2006), doi:10.1016/j.nima.2006.05.060
[7]	M.G. Liu et al. , «Лавинский фотодиод с низкой скоростью счета в темноте и высокой эффективностью обнаружения одиночных фотонов в режиме Гейгера», IEEE Photon. Технол. лат. 19, 378 (2007)
[8]	Б. Е. Кардынал и др. , «Детектор с разрешением числа фотонов на основе лавинных фотодиодов», Nature Photon. 2, 425 (2008), doi:10.1038/nphoton.2008.101
[9]	C. Niclass и др. , «Однофотонный датчик изображения 128 × 128 с матрицей 10-разрядных время-цифровых преобразователей на уровне столбцов», IEEE J. Solid-State Circuits 43 (12), 2977 (2008), doi: 10.1109/JSSC .2008.2006445
[10]	Y. Kang et al. , «Монолитные германий/кремниевые лавинные фотодиоды с произведением коэффициента усиления на полосу пропускания 340 ГГц”, Nature Photon. 3, 59 (2009), doi:10.1038/nphoton.2008.247
[11]	С. Ассефа и др. , «Обновление германиевого лавинного фотодетектора для нанофотонных оптических межсоединений на кристалле», Nature 464, 80 (2010), doi: 10.1038/nature08813
[12]	M. Ramilli et al. , «Статистика числа фотонов с кремниевыми фотоумножителями», J. Opt. соц. Am.B 27 (5), 852 (2010), doi:10.1364/JOSAB.27.000852
[13]	B. F. Aull et al. , «Широкоформатные матрицы лавинных фотодиодов Гейгера и схемы считывания», IEEE J. Sel. Верхний. Quantum Electron 24 (2), 3800510 (2018), doi: 10.1109/JSTQE.2017.2736440
[14]	X. Zeng et al. , «Кремниево-германиевые лавинные фотодиоды с прямым управлением электрическим полем в области умножения заряда», Optica 6 (6), 772 (2019), doi:10.1364/OPTICA.6.000772
[15]	A. H. Jones 9008 и другие. , «Малошумящие высокотемпературные лавинные фотодиоды AlInAsSb/GaSb для 2-мкм применений», Nature Photonics 14, 559 (2020), doi:10.1038/s41566-020-0637-6
[16]	И. Страка и др. , «Статистика подсчета активно погашенных SPAD при непрерывном освещении», J. Lightwave Technol. 38 (17), 4765 (2020)
[17]	Дж. К. Кэмпбелл, «Эволюция малошумящих лавинных фотодетекторов», IEEE J. Sel. Верхний. Квантовый электрон. 28 (2), 3800911 (2021), doi:10. 1109/JSTQE.2021.3092963

(Предложите дополнительную литературу!)

См. также: фотодиоды, фотоумножители, фототранзисторы, чувствительность, подсчет фотонов, квантовая эффективность, квантовый шум
и другие статьи в категориях фотонные устройства, обнаружение и характеристика света, оптоэлектроника, оптическая метрология

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

  
 Статья о лавинных фотодиодах 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia 

С предварительным изображением (см. рамку чуть выше):

Для Википедии, например. в разделе «==Внешние ссылки==»:

 * [https://www.rp-photonics.com/avalanche_photodiodes.html 
 статья "Лавонные фотодиоды" в энциклопедии RP Photonics] 

Лавинный фотодиод: функция, поведение, отрасли промышленности

Интеллектуальные транспортные средства, машины и современные устройства движутся по все более и более взаимосвязанному миру все более и более автономно. Измерение расстояния и оптическая связь играют ключевую роль в том, чтобы они могли точно воспринимать окружающую среду и реагировать соответствующим образом. Лавинные фотодиоды, короткие APD, демонстрируют свои преимущества в качестве компонентов в этих случаях и во многих других приложениях.

Определение ЛФД: Лавинные фотодиоды — это диоды с внутренним механизмом усиления. Этот механизм усиления позволяет им распознавать даже слабые оптические сигналы и даже отдельные фотоны.

Внедряет ли ваша компания измерительные или коммуникационные решения, которые должны справляться с низким уровнем освещенности? First Sensor — ваш опытный партнер, предлагающий подходящий APD для решения ваших задач.

Запрос на продукт

---

Режим работы лавинного фотодиода:

Лавинные фотодиоды названы так по одной причине: Термин «лавинный» относится к внутреннему коэффициенту усиления ЛФД — так называемому лавинному пробою.

В стандартных диодах падающие фотоны генерируют электронно-дырочные пары. Эти пары отверстий обеспечивают измеримый фототок. В ЛФД приложенное обратное напряжение смещения вызывает лавину — оно обеспечивает ускорение электронно-дырочных пар. В результате ударной ионизации в зону проводимости вводятся дополнительные электроны. Эти электроны, в свою очередь, поглощают больше энергии и поднимают дополнительные электроны в зону проводимости. Этот процесс называется лавинным пробоем и, таким образом, может обеспечить коэффициент лавинного умножения для детектора в несколько сотен.

Лавинные фотодиоды быстрее и чувствительнее обычных фотодиодов. Кроме того, спектральная характеристика лавинных фотодиодов особенно высока. В зависимости от материала могут быть достигнуты длины волн до 1700 нм. First Sensor разрабатывает и производит лавинные фотодиоды для различных длин волн, разделенные на серии детекторов.

Серия 8

Этот лавинный фотодиод с длиной волны от 650 до 850 нм для высоких частот среза идеально подходит для многих устройств и промышленных приложений, таких как лазерное сканирование или оптическая связь.

К серии 8

---

Серия 9

Их повышенная чувствительность в ближней инфракрасной области (БИК) до 900 нм делает эти лавинные диоды идеальным выбором для приложений LIDAR / LADAR. Обнаружение света и дальность, сокращенно LIDAR, — это метод измерения расстояния и скорости, используемый во все большем числе областей мобильности, например, в мобильном управлении скоростью или в системах помощи водителю.

К серии 9

---

Серия 10

Эти диоды обнаруживают длины волн в диапазоне до 1064 нм и поэтому особенно подходят для длинноволновых диапазонов.

К серии 10

---

Материал и обработка могут быть адаптированы к вашим требованиям. Это позволяет настраивать и оптимизировать определенные параметры, такие как чувствительность в случае различных длин волн, скорость APD и их возможности для ваших проектов.

Спектральный отклик
(T=тип. 23 °C, M=100)

• Серия 8
• Серия 9
• Серия 10

Выберите серию извещателя справа!

Загрузки

• PDF: Указания по применению для APD
• PDF: Замечания по применению массивов APD
• PDF: Транспортировка и обработка

---

Типичные области применения лавинных фотодиодов

Лавинные фотодиоды обеспечивают точные и быстрые измерения, особенно когда при оптической связи или измерении расстояния доступны только низкие уровни сигнала.

APD также используются для приложений с высокими частотами модуляции. Начиная с частот ок. 60 МГц уровень шума, увеличиваемый лавинным эффектом, обычно ниже уровня шума, создаваемого комбинацией обычного фотодиода с внешней электроникой усиления.

Таким образом, типичные области применения APD включают:

• энкодеры, лазерные сканеры/лидарные системы, системы лазерной центровки
• аналитические приборы, спектрометры
• лазерные дальномеры и трекеры, измерение расстояния и скорости

Лавинные диоды для всех отраслей и областей применения

Мы проконсультируем вас индивидуально, чтобы найти технологию, которая сделает ваш проект успешным. Следующая таблица даст вам начальный обзор связи между чувствительностью лавинного фотодиода и длиной волны для всех фотодиодов. Используйте мышь для переключения между различными продуктами.

Автономное вождение с APD

Дорожное движение становится более безопасным, эффективным и автономным. Во время вождения передовые системы помощи водителю постоянно проверяют такие параметры, как расстояние до впереди идущего автомобиля, ограничение скорости, а также препятствия на дороге и другие опасности. Использование оптического измерения расстояния и скорости станет незаменимым в будущем, особенно в беспилотных или автоматизированных транспортных средствах. Эта технология позволяет постоянно контролировать окружающую среду изнутри автомобиля и следить за тем, чтобы полоса движения сохранялась, а опасности, связанные с препятствиями, избегались.

Системы, обычно устанавливаемые в виде компактных детекторных модулей, полагаются на безопасные и точные ЛФД с высокой чувствительностью в ближней ИК-области. Это требует ноу-хау и отраслевой компетентности. Когда лавинные диоды эксплуатируются при температуре вне помещений в мобильных приложениях, это может быстро привести к изменениям рабочего напряжения и/или напряжения пробоя, коэффициента усиления, темнового тока, чувствительности, емкости, времени нарастания и общего тока. Таким образом,

First Sensor указывает температурный коэффициент и предоставляет клиентам полные спецификации для каждого компонента. Благодаря нашему межотраслевому опыту мы найдем идеальное решение для каждого проекта клиента, чтобы ваше приложение успешно стало частью мобильности будущего.

• PDF: Оценка влияния температуры на поведение датчика APD LiDAR
• PDF: Осмысление датчиков — руководство дизайнера LiDAR по сенсорным технологиям для автомобильных/мобильных систем

Хотите узнать больше о различных перспективах, которые могут предложить вам инновационные, надежные и долговечные сенсорные решения от First Sensor? Свяжитесь с нами!

Что такое лавинный фотодиод?

Определение лавинного фотодиода

Лавинные фотодиоды или APD представляют собой высокочувствительные полупроводниковые устройства, преобразующие оптические сигналы в электрические. Они работают при высоком обратном смещении. Термин «лавина» происходит от явления лавинного обвала.

Обозначение лавинного фотодиода

Обозначение лавинного фотодиода такое же, как и у стабилитрона.

Структура лавинного фотодиода

Структура обычного лавинного фотодиода аналогична PIN-фотодиоду. Он состоит из двух сильно легированных (область p+ и n+) и двух слаболегированных (I или собственная область и область P) областей. Ширина обедненного слоя в собственной области у APD относительно меньше, чем у PIN-фотодиода. Область p+ действует как анод, а n+ действует как катод. Обратное смещение в основном применяется к области pn+.

Принципиальная схема лавинного фотодиода «Файл:APD3 German.png» компании Kirnehkrib лицензирован под лицензией CC BY-SA 3.0

Для применения условий обратного смещения область p+ подключается к отрицательной клемме, а область n+ подключается к положительной клемме аккумулятора.

Принцип работы лавинного фотодиода «Файл:APD2 German. png» компании Kirnehkrib лицензирован согласно CC BY-SA 3.0

• Лавинный пробой происходит, когда диод подвергается воздействию высокого обратного напряжения.
• Обратное напряжение смещения увеличивает электрическое поле в обедненном слое.
• Падающий свет попадает в p+-область и далее поглощается высокоомной p-областью. Здесь образуются электронно-дырочные пары.
• Сравнительно более слабое электрическое поле вызывает разделение этих пар. Электроны и дырки дрейфуют с их скоростью насыщения в область pn+, где существует сильное электрическое поле.
• Поскольку скорость максимальна, носители сталкиваются с другими атомами и генерируют новые электронно-дырочные пары. Большое количество пар e-h приводит к высокому фототоку.

Лавинный фотодиод Характеристики

• Собственная область ЛФД слегка легирована p-типом. Его также называют ?-регион .
• Область n+ самая тонкая и освещается через окно.
• Электрическое поле максимально на pn+-переходе, а затем начинает уменьшаться через p-область. Его интенсивность уменьшается в ?-области и постепенно исчезает в конце р+-слоя.
• Даже один поглощенный фотон приводит к генерации огромного количества электронно-дырочных пар. Это называется внутренний процесс усиления.
• Генерация избыточной электронно-дырочной пары из-за столкновения носителей заряда называется лавинным умножением. Коэффициент умножения или усиление,

[Latex]M=\frac{I_{ph}}{I_{pho}}[/Latex]

Где i _ph = умноженный фототок APD 9 9 9 0 8 9 00 i _pho = фототок до умножения

Значение M сильно зависит от обратное смещение и температура тоже.

Работа лавинного фотодиода

ЛФД работают в полностью разряженном режиме. Помимо линейного лавинного режима, ЛФД также могут работать в режиме Гейгера . В этом режиме работы фотодиод работает при напряжении выше напряжения пробоя. Недавно был введен еще один режим, который называется режимом субгейгера. Здесь наряду с однофотонной чувствительностью внутреннее усиление также очень велико, чуть ниже пробоя.

Ударная ионизация в лавинных фотодиодах

После поглощения фотонов в ?-слое образуется достаточное количество электронно-дырочных пар. Электрическое поле разделяет пары, и независимые носители заряда бегут к областям n+ и p+. В р-области электроны испытывают сильное электрическое поле. Под действием этого поля электроны дрейфуют со скоростью насыщения и сталкиваются. Это столкновение помогает в умножении заряда. Это общее явление называется ударная ионизация .

Скорость ионизации , [latex] k = \ frac {\ alpha} {\ beta} [/latex]

, где ⍺ = скорость электронов

ꞵ = скорость

ꞵ = скорость

ꞵ = скорость

ꞵ =. Diagram Изображение предоставлено: «File:Avalanche Photodiode 00.png» Патрика-Эмиля Цёрнера (de:Benutzer:Paddy) под лицензией CC BY 2.0

Avalanche Photodiode Datasheet 0 Photodeector00299

Wavelength	Responsivity	Dark Current
InGaAs APD	1310-1550 nm	0.8 A/W	30 nA
Germanium APD	1000-1500 нм	0,7 А/Вт	1000 нА

Модуль лавинных фотодиодов

ЛФД являются частью модулей, содержащих дополнительные электронные элементы помимо фотодиода. В некоторых пакетах может быть трансимпедансный операционный усилитель, который улучшает производительность и увеличивает пропускную способность и чувствительность. Некоторые пакеты оптимизированы для использования в оптоволокне. Некоторые включают термодатчики для обеспечения лучшей стабильности.

Матрица лавинных фотодиодов

Матрицы лавинных фотодиодов имеют небольшой размер и также дают выгоду от аренды. Они разработаны специально для использования в LIDAR, лазерных дальномерах и т. д. Хотя массивы APD еще не являются массовыми продуктами, некоторые производители делают их из-за их уникальных характеристик.

Шум лавинного фотодиода

Основными компонентами шума в ЛФД являются

• Квантовый или дробовой шум (i _Q ) : Основной причиной этого является лавинообразный процесс.
• Шум темнового тока: Шум темнового тока возникает из-за отсутствия света в фотодиоде. Кроме того, его можно разделить на объемный текущий шум (i _DB ) и поверхностный текущий шум (i _DS ) .
• Тепловой шум: Шум усилителя, подключенного к фотодиоду.

Из-за умножения несущих к существующим шумам добавляется значительный шум. Он известен как 9{2} \right \rangle = \frac{4k_{B}TB}{R_{L}}[/Latex]

Где k _B = постоянная Больцмана

            T = абсолютная температура 9003 9     7 R _L = сопротивление нагрузки

Разница между PIN-кодом и лавинным фотодиодом | Лавинный фотодиод и PIN-фотодиод

40006

Лавинный фотодиод	Параметры	PIN Photodiode
Four layers- P+, I, P, N+	Layers	Three layers- P+, I, N+
Very high	Response time	Очень маленькое
Низкое значение тока	Выходной ток	Умножение несущей приводит к усилению значения тока
Внутреннее усиление	Усиление является незначительным
Высокочувствительный	Чувствительность 9014. выигрыш уже есть.	Усилитель	Внутреннего усиления нет, поэтому использование усилителей обязательно.
Higher due to charge multiplication	Noise	Comparatively lesser than APDs
Extremely high	Reverse Bias voltage	Low
Great	Temperature stability	Плохо

Лавинный фотодиодный усилитель

Подобно PIN-фотодиодам, APD также используют четырехканальный трансимпедансный усилитель для снижения шума, высокого импеданса и низкого энергопотребления. Некоторые усилители также обеспечивают температурную гибкость и высокую надежность. Все эти характеристики делают фотодиод пригодным для использования в приемниках LIDAR.

Лавинный фотодиодный детектор

ЛФД предпочтительнее PIN-фотодиодов при обнаружении света из-за их повышенной чувствительности. При подаче относительно высокого напряжения количество носителей заряда зашкаливает, и они ускоряются под действием сильных электрических полей. Происходит внутреннее столкновение и происходит умножение заряда. В результате увеличивается значение фототока, что улучшает общий процесс фотодетектирования.

Лавинный фотодиод в оптоволоконной связи

В системах оптоволоконной связи APD обычно необходимы для обнаружения слабых сигналов. Схемы должны быть достаточно оптимизированы для обнаружения слабых сигналов, поддерживая высокое SNR (отношение сигнал/шум) . Здесь,

[Latex]SNR=\frac{мощность\: от \:\:фототок}{мощность\:\:фотоприемник + мощность\:\:усилитель\:шум}[/Latex]

Для для достижения хорошего SNR квантовая эффективность должна быть высокой. Поскольку это значение почти близко к максимальному значению, обнаруживается большинство сигналов.

Сравнение APD и PMT | Лавинный фотодиод против фотоумножителя

Лавинный фотодиод	Фотоумножитель
Он состоит из четырех слоев с различной концентрацией легирования.	Состоит из фотокатода, динодов и вакуумной стеклянной трубки.
Он использует явление лавинного размножения для создания носителей заряда.	Он использует технику поглощения фотонов для испускания избыточных электронов.
Преобразует фотоны в электроны.	Увеличивает количество электронов.
APD очень чувствительны.	Чувствительность ФЭУ ограничена.
Стоимость APD ниже, чем у PMT.	ФЭУ — самые дорогие устройства.

ЛПД и схемы гашения

1. Пассивная схема гашения : В схеме этого типа используется нагрузочный резистор, пассивный элемент, для гашения импульса пробоя. Фотоэлектроны запускают лавину. Через цепь пропускают большой ток, чтобы избежать нехватки электронов или дырок в лавинной области, а диод остается в проводящем состоянии.

2. Схема активного гашения : пока диоды перезаряжаются, вероятность попадания в них другого фотоэлектрона очень мала. Чтобы свести к минимуму мертвое время, выполняется «активное гашение». Напряжение смещения временно падает, и эта задержка позволяет собрать все электроны и дырки. Когда напряжение снова увеличивается, в обедненной области не остается ни одного электрона.

Лавинный фотодиод InGaAs

InGaAs или арсенид индия-галлия активно используется в полупроводниковых устройствах. Лавинные фотодиоды InGaAs используются для обеспечения дальней связи по оптоволоконному кабелю. Они могут осуществлять фотодетектирование в диапазоне 1100-1700 нм. Лавинные фотодиоды InGaAs лучше, чем обычные германиевые лавинные фотодиоды, с точки зрения SNR и чувствительности.

Лавинный фотодиод большой площади

APD большой площади или LAAPD — это легкие фотодиоды с большой площадью активации. Его особенности включают быстрое время отклика, улучшенное соотношение сигнал-шум, нечувствительность к магнитным полям и т. д.

Ультрафиолетовый – УФ-лавинный фотодиод

Ультрафиолетовый лавинный фотодиод обеспечивает исключительную чувствительность при работе в режиме Гейгера. Карбид-кремниевый УФ-ЛФД демонстрирует высокое усиление сигнала и исключительную чувствительность. Ультрафиолетовые фотодетекторы идеально подходят для обнаружения пламени в ультрафиолетовом диапазоне.

Кремниевый лавинный фотодиод

Лавинные фотодиоды с высоким содержанием кремния отлично подходят для обнаружения при слабом освещении. Внутреннее умножение отличается высокой светочувствительностью, что позволяет обнаруживать сигналы слабого освещения. Он также имеет улучшенную линейность, низкую терминальную емкость и низкотемпературный коэффициент. Некоторыми областями применения кремниевых лавинных фотодиодов являются оптические дальномеры, лазерные радары, FSO и т. д. 

Матрица кремниевых лавинных фотодиодов

В многоэлементных кремниевых ЛФД обедненная область изготавливается непосредственно под фоточувствительной областью. Благодаря этому массив ЛФД многократно увеличивает падающий свет. Носители заряда поразили в области обеднения. Это означает, что матрицы кремниевых лавинных фотодиодов имеют низкие перекрестные помехи из-за коэффициента усиления.

Лавинный фотодиод Гейгера

Лавинный фотодиод Гейгера разработан в качестве альтернативы фотоумножителям. GAPD используют принцип счета одиночных фотонов при напряжении, немного превышающем пороговое напряжение пробоя. При таком напряжении даже одна электронно-дырочная пара способна вызвать сильную лавину. В этой ситуации схемы гашения снижают напряжение на доли секунды. Это на время останавливает сход лавины, и возможно фотодетектирование.

Методы подсчета фотонов с кремниевыми лавинными фотодиодами

На протяжении многих лет в лавинных фотодиодах используются два типа методов подсчета фотонов.

• ‌ Режим Гейгера
• ‌Суб-режим Гейгера

Исследования показывают, что режим Гейгера превосходно улучшает характеристики при использовании схем гашения.

Однофотонный лавинный фотодиод | Лавинный фотодиод для подсчета одиночных фотонов

Их также называют SAPD. SAPD обладают высокой светочувствительностью и оптимизированы для высокой квантовой частоты. Some of its applications include an image sensor, 3D imaging, quantum cryptography , etc.

Advantages and Disadvantages of Avalanche Photodiode

Advantages of Avalanche Photodiode

• ‌It can detect light of low intensity .
• ‌Высокая чувствительность .
• ‌Время отклика быстрее .
• ‌Один фотон может генерировать большое количество электронно-дырочных пар .

Недостатки лавинного фотодиода

• ‌Требуется высокое рабочее напряжение .
• ‌Избыточный шум из-за умножения несущих .
• ‌Вывод нелинейный .

Применение лавинного фотодиода

• ЛАЗЕРНЫЙ сканер .
• ‌Сканер штрих-кода .
• ‌лазерные дальномеры .
• ‌Скоростной пистолет .
• ‌Лазерная микроскопия .
• ‌ПЭТ-сканер .
• Антенна Мост анализатора .

Часто задаваемые вопросы

Каково время отклика лавинного фотодиода?

Среднее время отклика различных лавинных фотодиодов может составлять от 30 пс до 2 мс.

Что происходит, когда вы направляете слишком много света на лавинный фотодиод (APD)?

Слишком сильное воздействие света приводит к перегреву диода и может привести к повреждению устройства.

Как работает лавинный фотодиод?

Лавинный фотодиод использует напряжение лавинного пробоя для увеличения количества носителей заряда и увеличения тока.

В чем разница между PIN-фотодиодом и лавинным фотодиодом?

Лавинные фотодиоды имеют четыре слоя, а PIN-фотодиоды — три слоя. Кроме того, в отличие от PIN-фотодиодов, APD имеют большое внутреннее усиление и светочувствительность из-за увеличения заряда.

Каковы недостатки лавинного фотодиода?

APD чувствительны к высокому шуму из-за ударной ионизации, а выходной сигнал нелинейный. Другие ограничения обсуждались в разделе «Недостатки лавинных фотодиодов».

В чем основное преимущество лавинного фотодиода?

Основным преимуществом лавинного фотодиода является его чувствительность и способность обнаруживать сигналы слабого освещения.

Как влияет температура на лавинное усиление?

Коэффициент усиления линейно зависит от температуры, поскольку обратное напряжение пробоя имеет линейную зависимость от температуры.