Лавинные фотодиоды: Hamamatsu. Кремниевые фотодиоды

Содержание

Лавинный фотодиод | Его 5+ важных применений и характеристик

Лавинный фотодиод

Кредит изображения: «Файл: Avalanche photodiode.JPG» by Радован Блажек под лицензией CC BY-SA 3.0

Тема обсуждения: лавинный фотодиод.

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

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

Принцип работы лавинного фотодиода
  • Лавинный пробой происходит, когда диод подвергается воздействию высокого обратного напряжения.
  • 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,

где iph= умноженный фототок APD

            iфо= 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,

где ⍺ = скорость электронов

            ꞵ = скорость отверстий  

Схема лавинного фотодиода

Технический паспорт лавинного фотодиода
фотодетекторДлина волнычувствительностьТемный ток
InGaAs ЛФД1310 1550-нм0.8 А / Вт30 нА
Германий APD1000 1500-нм0.7 А / Вт1000 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 (iQ): 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 (iDB) и шум поверхностного тока (iDS).
  • 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)=

где M = коэффициент умножения

            k = коэффициент ударной ионизации

Следовательно, среднеквадратичное значение общего шума iN в APD есть,

где 

q = заряд электрона

Ip= фототок

B = пропускная способность

M = коэффициент умножения

ID= объемный темновой ток

IL= ток поверхностной утечки

Тепловой шум в трансимпедансном усилителе составляет,

где kB= Постоянная Больцмана

           T = абсолютная температура

           RL= сопротивление нагрузки

Разница между PIN-кодом и лавинным фотодиодом | Лавинный фотодиод против фотодиода с PIN-кодом
Лавинный фотодиодпараметрыPIN Фотодиод
Четыре слоя — P +, I, P, N +СлоиТри слоя — P +, I, N +
Очень высокоВремя реакцииОчень меньше
Низкое значение токаВыходной токУмножение несущей вызывает усиленное значение тока
Прирост может достигать 200Внутреннее усилениеПрирост незначительный
Очень чувствительныйчувствительность 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 зарядаШумСравнительно меньше, чем у APD
Экстремально высокий Обратное напряжение смещенияНизкий 
Большой Стабильность температурыНе 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,

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 фотодиодФотоэлектронный 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.
  1. Схема активного тушения: Пока диоды заряжаются, вероятность попадания в них другого фотоэлектрона очень мала. Чтобы минимизировать мертвое время, выполняется «активное гашение». Напряжение смещения временно падает, и эта задержка позволяет собрать все электроны и дырки. Когда напряжение снова увеличивается, в области обеднения не остается электронов.

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.

УльтрафиолетовыйУФ-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

О Kaushikee Banerjee

Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями. Мой интерес заключается в изучении передовых технологий. Я с энтузиазмом учусь и возюсь с электроникой с открытым исходным кодом.
LinkedIn ID — https://www.linkedin.com/in/kaushikee-banerjee-538321175

Лавинные фотодиоды

ЛФД (avalanche photodiode (APD)) — это 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 фото-умножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).

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

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.

Применение

Типичное применение ЛФД — лазерные дальномеры и волоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц. 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.

Лавинные диоды на сверхрешетках

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешетке.

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.

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на сверхрешетке.

В физике полупроводников под термином сверхрешётка принято понимать твердотельную структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решётки имеется дополнительный потенциал, период которого существенно превышает постоянную решётки.

Лавинный пробой — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, связанный с тем, что в сильном электрическом поле носители заряда могут приобретать энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул материала. В результате каждого такого столкновения возникает пара противоположно заряженных частиц, одна или обе из которых также начинают участвовать в ударной ионизации. По этой причине нарастание числа участвующих в ударной ионизации носителей происходит лавинообразно, отсюда и название пробоя. Явление лавинного пробоя в полупроводниках используется в работе стабилитронов, ЛИЗМОП-структур, лавинно-пролётных диодов, лавинных фотодиодов.

Фотоприемные устройства на основе ЛФД

23 декабря, 2021

Опыт применения фотоэлектронных умножителей в импульсных приемных системах подсказывает, что задачу улучшения порогового потока широкополосных фотоприемных устройств импульсных дальномеров можно решить благодаря применению фотодиодов с внутренним усилением, а именно лавинных фотодиодов.

В обычном фотодиоде при попадании одного фотона в активной области возникает одна электронно-дырочная пара. Неосновные носители либо рекомбинируют, либо протекают через p—n-переход, создавая фототок. В ЛФД носители, проходящие через p—n-переход, приобретают в сильном поле перехода энергию, достаточную для ударной ионизации атомов решетки, и создают дополнительные электронно-дырочные пары, что приводит к увеличению суммарного тока по сравнению с током, входящим в слой объемного заряда p—n-перехода. Так же как и в фотоэлектронных умножителях, степень увеличения фототока в лавинном процессе характеризуется коэффициентом умножения носителей М. При этом коэффициент М сильно зависит от напряжения питания лавинного фотодиода, что накладывает жесткие требования к схеме стабилизации этого напряжения. Кроме того, при применении лавинных фотодиодов требуется термостабилизация (не охлаждение!) схемы питания и управления.

В современных лавинных фотодиодах коэффициент внутреннего усиления может достигать значения 100. Ввиду недетерминированного процесса лавинного увеличения количества электронов для создания фототока возникает генерация избыточно шума.

В лавинных фотодиодах существуют два типа основных шумов: собственный внутренний и дополнительный избыточный, вызванный нестабильностью лавинного пробоя.

Собственный внутренний шум фототока является результатом дробового эффекта в первичном токе, усиленного умножением, и спонтанных флуктуаций коэффициента умножения.

Причиной второго источника шума является неоднородность лавинного пробоя. Поскольку в лавинных фотодиодах шум усиливается интенсивнее, чем сигнал, собственный порог чувствительности лавинного фотодиода хуже, чем у фотодиода в нелавинном режиме. Однако при применении таких фотодиодов в фотоприемных устройствах значительно улучшается чувствительность при приеме слабых световых сигналов. Кроме того, выходной сигнал лавинного фотодиода не требует сверхнизкошумящего внешнего усилителя с большим коэффициентом усиления.

В силу сложной схемотехники и высокого технологического уровня производства лавинные фотодиоды выпускаются, как правило, в составе фотоприемных устройств. Одним из лучших фотоприемных устройств отечественного производства можно назвать устройства на основе кремниевого лавинного фотодиода, представляющее собой интегральную сборку вместе с усилителем, пороговым устройством и преобразователем напряжения производства НИИ «Полюс».

В ассортименте компании «Лазерные компоненты» есть высококачественные лавинные фотодиоды, которые также могут послужить отличным решением для создания готовых фотоприемных устройств.=1/[1-(£//С/пр„бЛ, (6-32)

Где С/проб— напряжение пробоя; V— напряжение на р-и-переходе; т — коэффициент, учи­тывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (т = 1,5…2,0 для крем­ния р-типа; т = 3,4.. .4,0 — для кремния «-типа).

Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде

/ф = /фо/[1-(С//С/проб)и]. (6-33)

Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов ха­рактеризуется временами переключения (10~®…10-9) с, а произведение коэффициента уси­ления фототока К, на полосу частот достигает рекордных значений: ~ 10й Гц. Предель­

Но реализуемое значение К< может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигнуто АГ, и103…Ю4, а для германия его величина обычно не более 10

[2]. У кремниевых и арсенид- галлиевых приборов ниже уровень шумов.

В режиме лавинного фотоумноже­ния успешно опробованы практически все диодные структуры: р+-п, р-А-п, и-р-/’-р+; барьер Шоттки.

Лавинные фотодиоды перспектив­ны при обнаружении слабых оптиче­ских сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со зна­чительными трудностями. Это обуслов­лено с тем, что в предпробойном ре­жиме коэффициент усиления фототока К, резко зависит от напряжения. По­этому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего на­пряжения путем термостатирования. Лавинным фотодиодам присущ боль­шой разброс параметров у отдельных образцов (табл. 6.2). В таблице Тб — постоянная времени, характеризую­щая быстродействие диода.

Рис. 6.13. Лавинный фотодиод: Высокие рабочие напряжения, низ-

А-структура; б-распределение поля в структуре; кий преобразования затрудняют 1 — область сильного поля; г г

Таблица 6.2. Параметры лавинных фотодиодов

№ п/п

Наименование

А, мкм

Б, А/Вт

Те, НС

Сф, нФ

&обп’ В

Примечание

1

ФД-317Л

0,85

50

2-3,5

2

70…400

&

2

ФД-322Л

1,3

1,55

10

0,2

1

<40

Ве

3

ФД-323Л

1,3

1,55

8…10

0,22

1

30…50

(Зе, термоэлек­трический холодильник, Лют < 0,5 Вт

4

ЛФД-150

1,06

1,3

1,55

7…108

0,5

30…40

Ве

5

ЛФД-200

1,06

1,3

1,55

67

1

30…40

Ве

6

ЛФД-300

1,06

1,3

1,55

343,5

0,07

30…40

Ве

7

ЛФДГ-70

1,06

1,3

1,55

5.. .20

25.. .35

22.. .35

0,6…0,7

30…40

Ве

8

ЛФДГ-70Т

1,06

1,3

1,55

40…45

0,8…0,9

30…40

Ве

9

ЛФДГ-70ТЛ

1,3

1,55

32…45

0,8…0,9

30…40

Ве

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo — полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Условные обозначения

А, Механический эквивалент света К Постоянная Больцмана В Сииий свет К, Коэффициент передачи по току С Скорость света в свободном простран­ Ку Коэффициент световой эффективности Стве Коэффициент усиления лазера Ся …

Список Сокращений

А Номинальная числовая апертура Мэв Монохроматическая АВС Активный волоконный световод Электромагнитная волна АИМ Амплитудно-импульсная Нжк Нематические жидкие кристаллы Модуляция Ов Оптическое волокно АПП Абсолютный показатель ОЗУ Оперативное запоминающее Преломления Устройство …

Использование лавинных фотодиодов в оптоволоконных системах измерения параметров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК [681.586.7:621.383.5]:6621.391.63 ББК [32.96-044.3:32.854.2]:32.889

Нгуен Суан Мань, Г. А. Попов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ В ОПТОВОЛОКОННЫ1Х СИСТЕМАХ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

Nguyen Xuan Manh, G. A. Popov

USE OF AVALANCHE PHOTODIODES IN FIBER-OPTIC SYSTEMS OF MEASUREMENT OF THE PARAMETERS

Рассматривается задача использования лавинных фотодиодов для приема светового сигнала для контроля изменений параметров оптоволоконных линий на основе съема внешнего излучения. Проанализированы особенности функционирования, условия работы лавинного фотодиода. Выявлена и обоснована необходимость усиления сигнала, а также рассчитаны коэффициент усиления и отношение сигнал/шум выходного сигнала для последующей его обработки.

Ключевые слова: лавинный фотодиод, трансимпедансный усилитель, контроль температуры, микроконтроллер.

The problem of the using of avalanche photodiodes as photo-receiver for control of changes in parameters of fiber-optic lines based on the reception of the external radiation. The special features of functioning and the working conditions of avalanche photodiode are analyzed. The need for signal amplification is identified and justified and the coefficient of amplification and the relation signal/noise of the output signal for further processing are calculated.

Key words: avalanche photodiode, transimpedance amplifier, control temperature, microcontroller.

Введение

В настоящее время оптоволоконные линии широко применяются во многих областях, например связи, медицине, технике. Отметим также их широкое применение в системах сбора и обработки данных. Большие возможности заложены в них и с точки зрения использования в качестве чувствительных элементов приема излучения.

На современном рынке измерительных систем и датчиков доминирующее положение продолжают занимать электронные измерительные технологии, которые предполагают преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал и его последующую обработку. В системах измерения для приема светового сигнала от оптоволоконной линии, содержащей информацию об изменениях измеряемых параметров, применяются лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими приборами при приеме световых сигналов. Лавинные фотодиоды имеют высокую скорость и чувствительность благодаря использованию внутреннего механизма усиления на основе обратного напряжения. Одним из наиболее важных достоинств ЛФД является обеспечение принципиальной возможности считывания сигнала, проходящего через оптоволоконную линию без разрушения или разъединения самой линии, а лишь на основе считывания светового сигнала, излучаемого через поверхность линии. Данное свойство может быть использовано при создании систем неразрушающего контроля на основе оптоволоконных линий. Но на работу ЛФД сильно влияют изменения температуры окружающей среды и величины обратного напряжения. Поэтому при использовании ЛФД, во-первых, необходимо обеспечивать требуемые условия работы и соответствующую данному ЛФД точку работы. Во-вторых, для обработки сигналов от ЛФД нужно усилить эти сигналы до уровней, достаточных для последующей его обработки. При рассмотрении этих вопросов в качестве образца нами был выбран датчик фирмы Hamamatsu S2381 как один из наиболее чувствительных и надежных.

Основные параметры эксплуатации ЛФД

Проведем анализ параметров ЛФД, которые влияют на процесс его внедрения и экплуатации.

Критерий выбора ЛФД:

— напряжение смещения;

— чувствительность при спектральном пике;

— минимальный темновой ток;

— температурный коэффициент;

— стоимость.

Датчик фирмы Hamamatsu S2381, выбранный нами в качестве образца на основе поиска в сети Интернет и анализа доступной литературы, имеет следующие характеристики [1]:

— диапазон спектрального отклика X, нм: 400-1 000;

— длина волны в пике чувствительности Xp, нм: 800;

— оптическая чувствительность S, M = 1, X = 800 нм (A/W): 0,5;

— величина умножения QE, M = 1, X = 800 нм, %: 75;

— напряжение пробоя, VBR Id = 100 нА: обычное — 150 В, максимальное — 200 В;

— температурный коэффициент (В/°С): 0,65;

— тёмновой ток, Id: обычный — 0,05 нА, максимальный — 0,5 нА;

— частота среза/ при RL = 50 Q: 1 000 МГц;

— терминальная ёмкость Ct: 1,5 пФ;

— коэффициент шума x при X = 800 нм: 0,3;

— коэффициент усиления при X = 800 нм: 100.

Как было отмечено выше, эффективность работы ЛФД в существенной степени зависит от величины обратного напряжения и температурного режима работы. Рассмотрим эти показатели применительно к выбранному типу ЛФД.

Стабилизация обратного напряжения. Коэффициент умножения (усиления) ЛФД зависит от напряженности электрического поля, приложенного к лавине слоя. Как правило, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Однако, если обратное напряжение превышенно увеличивает, то происходит падение напряжения, т. к. ток протекает через последовательный резистор и нагрузку, в результате чего напряжение, приложенное к лавинному слою, уменьшается. Это означает, что ЛФД изначально имеет оптимальную величину коэффициента подачи обратного напряжения, при котором происходит максимальное усиление, и значение этого коэффициента зависит от напряжения. Эмпирическая формула (1) [2] показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения от приложенного обратного напряжения. На рис. 1 показана характеристика типичных усилений от обратного напряжения при различных значениях температуры.

REVERSE VOLTAGE (V)

Рис. 1. Влияние усиления от напряжения ЛФД Hamamatsu S2381

M = 1

( и Y

V иь J

(1)

где Ub — напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до б, в зависимости от температуры и характеристики материала, структуры р-п-перехода. Поэтому ЛФД требуется подача высокого стабильного напряжения. Лавинный фотодиод Hamamatsu S2381 работает в диапазоне напряжения 80-180 В, в качестве преобразователя напряжения рекомендуется использовать преобразователь Emco Q04, который имеет следующие характеристики (рис.

95v__

Ambient Temperature |’C)

Рис. 4. Зависимость температурного коэффициента напряжения от температуры окружающей среды

Как показано на рис. 4, при повышении температуры окружающей среды напряжение необходимо увеличить для поддержания постоянного усиления. Это значит, необходимо непрерывно контролировать температуру окружающей среды ЛФД и управлять напряжением обратной связи ЛФД. Рекомендуется использовать датчик температуры ТМР275, имеющий следующие основные параметры:

— точность измерения — 0,5 °С;

— диапазон измерения — 20-100 °С;

— интерфейс с микроконтролем через 12С.

Функциональная схема системы контроля температуры и регулирования напряжения показана на рис. 5.

ЛФД

Етсо 04-1

][

ЦАП

БАС0828085

Етсо 04-2

Темп. Датчик ТМР275

Микроконтроллер

РІС16Б877А

Рис. 5. Функциональная схема системы контроля температуры и регулирования обратного напряжение

Особенности усиления сигналов от ЛФД

Выше мы обсуждали два основных условия, обеспечивающие нормальную работу ЛФД. Рассмотрим теперь проблему шума и коэффицента усиления ЛФД, т.10 19 Кл; 1о — темновой ток; В — ширина диапазона шума.

Когда фототок 1Ь порождается падающим светом, 1ж задается уравнением

18Ь = >/2С11, В, (6)

Если 1Ь >> 0,026/Яхк Я ~ 108 Гц) или 1Ь >> 1В, дробовой шум в уравнении (6) становится преобладающей частью шума, а коэффициенты шума из уравнений (4) и (5) малые. Каждая из амплитуд этих источников шума пропорциональна квадрату полосы пропускания шума (В), которая вы-

ражается в единице А/Гц12.

Усилитель. Конструктивно предлагается фотоприемное устройство (ФПУ), состоящее из фотодиода и широкополосного высокочувствительного усилителя. Усилители ФПУ традиционно делятся на предварительный и оконечный. На рис. 7 приведена схема ФПУ.

Предварительный усилитель (ПУ) усиливает электрический сигнал, обеспечивающий наибольшее отношение сигнал/шум. Предварительный усилитель должен быть хорошо согласован с ЛФД и должен обеспечивать одновременно эффективную передачу энергии сигнала и малый уровень шума. Для получения малошумящего усиления применяются схемы самой различной структуры. Наименьшими шумами обладают высокоимпедансные усилители с интегрированием во входной цепи. По динамическому диапазону на первом месте оказывается трансимпедансный усилитель, за ним следуют низкоимпедансный и высокоимпедансный. По рабочему диапазону частот первенство принадлежит низкоимпедансному усилителю. В меньшем диапазоне частот возможно применение высокоимпедансного и, особенно, трансимпедансного усилителей. Учитывая все достоинства и недостатки схем усилителей, выбираем схему трансимпедансного усилителя.

Оконечный усилитель (ОУ) осуществляет усиление, понижающее выходное сопротивление ФПУ, необходимое для работы устройства обработки сигнала.

Выходной сигнал

ОС

Рис. 7. Структурная схема ФПУ: ОС — цепь отрицательной обратной связи

Фотоприемное устройство, как правило, работает при уровнях входной мощности, превышающих порог чувствительности. Запас входной мощности необходим для обеспечения надежности работы, т. к. с течением времени, вследствие старения лазера, мощность передатчика уменьшается.

Коэффициент усиления. Трансимпедансный усилитель должен быть разработан с учетом емкости ЛФД. В самом деле, в отличие от усилителя, независимо от устройства, подключенного к нему, трансимпедансный усилитель увидит изменение их характеристик из-за ЛФД, подключаемого к нему.

Схема предварительного усилителя показана на рис. 8.

Рис. 8. Электрическая схема предварительного усилителя Частотная характеристика ПУ оценивается по формуле (7) [7]:

V = —

R

f

Rf Ipd, 1 + /ю—

A

(7)

где Rf — сопротивление обратной связи; ш- частота работы; Av — коэффициент усилителя при открытой цепи; Ipd — выходной ток ЛФД.

При нижней пороговой частоте имеем ш = 0, поэтому V = -RfIpd, и тогда сопротивление

V

обратной связи равно Rf =——.

1pd

Предлагается использовать источник лазера SLED DXP0019, который имеет мощность P = 90 нВт при длине волны 800 нм. В измеряющих системах, использующих оптоволоконную линию, входная мощность фотоприемника приблизительно 5 нВт. Датчик S2381 имеет токовую чувствительность Sph = 0,5 А/Вт при М = 1 и X = 800 нм. Если выбираем коэффициент умножения М = 100 (при обратном напряжении 134 B и комнатной температуре 20 °С), то максимальный выходной ток ЛФД будет равен:

I = sph M • P = 0,5-100 • 5 -10-6 = 0,25.10-3 А.

max pn 1 1

Тогда, с целью получения выходного напряжения 3,3 B , значение коэффициента обратной связи должно быть равно:

k = 3,3/0,25-10-3 = 13,2 k Q.

Этот коэффициент относится к двум интегральным схемам: k = 12 (1 + 9) = 13,2 k Q.

Ёмкость обратной связи, в зависимости от полосы пропускания частот, находится по формуле

C

f ynRf Af

(8)

Предложим, полосы пропускания частот А/ = 100 МГц, тогда емкость обратной связи будет

В принципиальной схеме, показанной на рис. 8, токовый источник 12 и входной конденсатор С4 представляют APD. Интегральная схема Ш и резистор Я2 представляют собой трансим-педансный усилитель. Резистор Я2 и конденсатор обратной связи С3 используются, чтобы управлять частотным откликом. Часть (и2, R4, Ю) регулирует выходное напряжение в диапазоне 1-5 В, соответствующей использованному аналого-цифровому преобразователю.

Шум усилителя. Предлагается использовать ИС ОРА847ГО для усиления сигнала. У него два основных источника шума. Первый источник шума входного напряжения — шум по даташиту, связанный с входным сигналом; его коэффициент шума входного напряжения а = 0,85 нВ/-у/Гц. Предложим, что полоса пропускания частот — 100 МГц. Выходное напряжение шума будет:

Итак, на основе предлагаемой схемы обеспечивается величина выходного сигнала 3,3 В и отношение сигнал/шум 78,8 дБ, и, следовательно, блок обработки сигнала сможет выполнить последующую обработку этого сигнала из фотоприёмного устройства.

Заключение

Результаты, полученные в работе, позволяют использовать ЛФД S2381 в интегральной схеме фотоприемников. Выходной сигнал удовлетворяет требованиям, необходимым для его последующей обработки.

1. Characteristics and use of SI APD Hamamatsu Corporation. March 2011: http://sales.hamamatsu. com/assets/applications/SSD/Characteristics_and_use_of_SI_APD.pdf.

2. Карих Е. Д. Оптоэлектроника / Е. Д. Карих. — Минск: БГУ, 2000. — 263 с.

3. http.7/www.kumnong.co.kr/kum/emco/img/q.pdf.

4. ФриманР. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман. — М.: Техносфера, 2003. — С. 153-155.

5. http: //www. ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf.

6. Сумкин В. Р. Измерение малых и сверхмалых мощностей оптического излучения и инфракрасного диапазона / В. Р. Сумкин, В. Б. Рудницкий, А. Н. Сергеев, А. Н. Карасов // Фотон-Экспресс. — 2003. — № 5 (31). — С. 20-24: http://www.fotonexpress.ru.

7.2(1,38 • 10-23 )0,25 • 10-3 • 108 = 13,2 •Ю3 • 0,83 •10-8 = 109 мкВ.

Тогда сумма выходного шума будет: ип = 112 + 147 +109 = 378 мкВ. Отношение сигнал/шум будет:

К = 20• 1о§(3,3/378-10-6) = 78,8 дБ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

REFERENCES

1. Characteristics and use of SI APD Hamamatsu Corporation. March 2011: http://sales.hamamatsu.com/ assets/applications/SSD/Characteristics_and_use_of_SI_APD.pdf.

2. Karikh E. D. Optoelektronika [Optoelectronics]. Minsk, BGU, 2000. 263 p.

3. http: //www.kumnong. co.kr/kum/emco/img/q.pdf.

4. Friman R. Volokono-opticheskie sistemy sviazi [Fiber-optical communication systems]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2003, pp. 153-155.

5. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf.

6. Sumkin V. R., Rudnitskii V. B., Sergeev A. N., Karasov A. S. Izmerenie malykh i sverkhmalykh moshchnostei op-ticheskogo izlucheniia i infrakrasnogo diapazona [Measurement of small and micro powers of optical radiation and infrared range]. Foton-Ekspress, 2003, no. 5 (31), pp. 20-24: http://www.fotonexpress.ru.

7. Texas Instruments Application Report, Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits, SLVA043B, 2007: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf.

Статья поступила в редакцию 23.05.2013

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Нгуен Суан Мань — Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Информационная безопасность»; [email protected]

Nguyen Xuan Manh — Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department «Information Security»; [email protected]

Попов Георгий Александрович — Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Информационная безопасность»; [email protected]

Popov Georgiy Aleksandrovich — Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department «Information Security»; [email protected]

5.3. Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества ЛФД. 5. Фотоприемники оптических систем передачи. Волоконно-оптические системы передачи

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструкция ЛФД. Лавинное умножение возникает в слое умножения (рисунок 5.7).

Лавинное умножение достигается за счет увеличения напряжения Есм до величины, близкой к пробойному. При этом на p — n переходе устанавливается очень сильное электрическое поле (Е > 10 5 В/см). Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле. Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами. Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки).

Рисунок 5.7. Конструкция ЛФД

Процесс увеличения числа носителей зарядов развивается лавинообразно и характеризуется коэффициентом

(5.8)

где D — показатель, определяемый материалом фотодиода (для Si
D = 1,5…9), Епроб – напряжение пробоя ЛФД.

Реальная величина усиления для кремниевых ЛФД — 50…100, для германиевых ЛФД — 2…15, для арсенидгалиевых – 10…35.

Величина фототока возрастает на коэффициент G.

(5.9)

Аналогично происходит увеличение чувствительности.

Спектральная чувствительность ЛФД сохраняет свои свойства, аналогичные p-i-n фотодиоду. Рабочей областью ЛФД на вольт-амперной характеристике будет зона, близкая к электрическому пробою.

При этом темновой ток также будет испытывать умножение. Величина темнового тока будет складываться из умножаемой и неумножаемой составляющих

(5.10).

Одной из характеристик ЛФД, определяющих динамический диапазон оптических сигналов, является линейность детектирования

(5.11)

Реальная величина динамического диапазона ЛФД может быть около 20 дБ.

Особенностью схемы включения ЛФД является регулируемый через цепь обратной связи источник напряжения смещения (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8. Схема включения ЛФД

Главное достоинство ЛФД заключается в высоком коэффициенте усиления и быстродействии, что позволяет использовать приборы с арсенидгалиевой основой на скоростях передачи данных до 10 Гбит/с и выше.

Недостатками ЛФД принято считать высокое напряжение смещения (до 400 В) и сложность схемы управления регулируемым источником Есм.

Лавинный фотодиод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Лавинный фотодиод

Cтраница 1


Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Более широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Прежде всего, эти трудности определяются тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока / И резко зависит от напряжения.  [2]

Лавинный фотодиод принципиально отличается от других способностью усиливать фототок генерируемых неравновесных носителей, поэтому он используется в фотоприемниках для обнаружения слабых оптических сигналов, сравнимых с шумами фотодиода.  [3]

Лавинный фотодиод — фотодиод с внутренним усилением, принцип действия которого основан на явлении ударной ионизации атомов фотоносителями в сильном электрическом поле. В лавинных фотодиодах используют электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, при этом фототек, а следовательно, и чувствительность значительно возрастают. Темновой ток лавинного фотодиода имеет примерно такую же величину, что и обычный фотодиод, однако при освещении характеристики этих фотодиодов существенно отличаются.  [5]

Лавинный фотодиод ( ЛФД) — фотодиод с лавиннным умножением тока. Когда обратное напряжение приближается к напряжению пробоя, электронно-дырочные пары, образованные поглощенными фотонами, приобретают энергию, достаточную для возникновения новых электронно-дырочных пар.  [7]

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Более широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Прежде всего эти трудности связаны с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока М резко зависит от напряжения.  [9]

Лавинные фотодиоды за счет большого внутреннего усиления имеют преимущества при передаче слабых оптических сигналов. В режиме лавинного фотоумножения успешно опробованы практически все современные диодные конструкции: с обычным р-п переходом, с p — i — n структурой, с барьером Шоттки.  [10]

Лавинный фотодиод представляет собой фотодиод особой конструкции ( обычно кремниевый), рассчитанный на работу в режиме лавинного умножения ( стр. Используемое значение коэф фициента лавинного умножения М может составлять 100 и более.  [12]

Недостатками лавинных фотодиодов являются требуемые высокое напряжение питания и температурная стабилизация коэффициента усиления. Быстродействие фотодиодов обоих типов достигает 1 — — 2нс, что полностью удовлетворяет большинству современных информационных систем, не говоря уже о геофизике.  [13]

Для лавинных фотодиодов ( ЛФД), также используемых в волоконно-оптических измерительных системах, внутреннее усиление приводит к появлению значительного шума.  [14]

В лавинном фотодиоде оптически возбужденные свободные носители размножаются за счет ударной ионизации атомов в сильном электрическом поле обратносмещенного перехода р-п -, p — i — n, М — и-п — типа или гетероперехода.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

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

Энциклопедия > буква А > лавинные фотодиоды

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

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

.

Вас еще нет в списке? Получите вход!

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

Акроним: APD; SPAD = однофотонный лавинный диод

Определение: фотодиоды с внутренним усилением сигнала за счет лавинного процесса

Более общий термин: фотодиоды

Немецкий: Avalanche-Photodioden, Lawinen-Photodioden

Категории: фотонные устройства, обнаружение и характеристика света, оптоэлектроника, оптическая метрология

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: д-р Рюдигер Пашотта

URL-адрес: https://www.rp-photonics.com/avalanche_photodiodes.html

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).

Реагирование

Фигура 1: Лавинные фотодиоды. Источник: Excelitas Technologies

Текущий процесс усиления сильно повышает 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 усилением ) 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 можно использовать с обычным фотодиодом, и этот эффект может компенсировать возможный недостаток скорости лавинного диода.

Шум обнаружения

Большая чувствительность ЛФД может помочь уменьшить шум обнаружения, поскольку 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 коэффициентом 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.

ЛФД 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 числа 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.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете оставить 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.

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] JS Marsland, «О влиянии ионизационных мертвых зон на лавинное умножение и шум для однородного электрического поля », Дж.заявл. физ. 67 (4), 1929 (1990), doi:10.1063/1.345596
[3] M.M. Hayat et al. , «Влияние мертвого пространства на коэффициент усиления и шум в лавинных фотодиодах Si и GaAs», IEEE J. Quantum Electron.28 (5), 1360 (1992), doi:10.1109/3.135278
[4] C Ху и др. , “Шумовые характеристики лавинных фотодиодов GaAs с тонкой областью умножения”, Прикл. физ. лат. 69 (24), 3734 (1996), doi:10.1063/1.117205
[5] А.Рочас и др. , «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, “Лавонные фотодиоды Гейгера, 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 et al. , «Однофотонный датчик изображения 128 × 128 с массивом 10-разрядных время-цифровых преобразователей на уровне столбцов», IEEE J. Solid-State Circuits 43 (12), 2977 (2008), doi: 10.1109/JSSC .2008.2006445
[10] Ю.Канг и др. , «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] S. Assefa et al. , «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.Опц. 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. Верхняя. Quantum Electron 24 (2), 3800510 (2018), doi:10.1109/JSTQE.2017.2736440
[14] X. Zeng et al. , «Кремний-германиевые лавинные фотодиоды с прямым управлением электрическим полем в области умножения заряда», Optica 6 (6), 772 (2019), doi:10.1364/OPTICA.6.000772
[15] А. Х. Джонс и др. , «Малошумящие высокотемпературные лавинные фотодиоды AlInAsSb/GaSb для 2-мкм приложений», 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. Верхняя. Квантовый электрон. 28 (2), 3800911 (2021), doi:10.1109/JSTQE.2021.3092963

(Предложите дополнительную литературу!)

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

Поделитесь этим с друзьями и коллегами, e.грамм. через социальные сети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

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 изображением для предварительного просмотра (см. поле чуть выше):

   
alt ="статья">

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

  * [https://www.rp-photonics.com/avalanche_photodiodes.html 
статья о лавинных фотодиодах в RP Photonics Encyclopedia]

Лавинный фотодиод | Его 5+ важных применений и характеристик. Лавинные фотодиоды или ЛФД 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+.

Схема лавинного фотодиода

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

Принцип работы лавинного фотодиода
  • Лавинный пробой происходит, когда диод подвергается воздействию высокого обратного напряжения.
  • Напряжение обратного 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.

Характеристики лавинного фотодиода
  • Собственная область ЛФД слегка легирована р-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 процессом внутреннего усиления .
  • Генерация избыточной электронно-дырочной пары из-за столкновения носителей заряда называется лавинным умножением. Коэффициент умножения или усиления,

, где I pH = Multified APD PHOPOR

I PHO = фототоры Перед умножением

м. Значение сильно зависит от температуры обратного смещения и тоже.

Работа лавинных фотодиодов

ЛФД работают в полностью разряженном состоянии. 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 мощное электрическое поле. Под действием этого поля электроны дрейфуют со скоростью насыщения и сталкиваются. Это столкновение помогает в умножении заряда. Это общее явление называется ударной ионизацией .

ионизационная скорость ,

где ⍺ = скорость электронов

ꞵ = скорость отверстий

лавина фотодиода

лавина фотодиода данных 9040
PhotoDetetector Длина волны Чувствительность Темновой ток
InGaAs APD 1310-1550 нм 3 3 .8 A / W 30 Na / W
германий APD 1000-1500 нм 0,7 A / W 1000 NA / W 1000 Na

Avalanche PhotoDiode Module

APDS являются частью модулей, которые содержат дополнительные электронные элементы, кроме 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, а также дают выигрыш в аренде. 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.

Лавинный фотодиодный шум

Основными компонентами шума в ЛФД являются

  • 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: Это шум усилителя, подключенного к фотодиоду.
  • Из-за умножения несущих к существующим шумам добавляется значительный шум. Он известен как коэффициент избыточного шума или ENF .

    enf или f (m) =

    , где м = коэффициент умножения

    K = удар ионизации коэффициента

    , следовательно, среднее квадратное значение общего шума I N в APD есть,

    Куда

    q = Заряд электронал

    I P = фототока

    B = пропускная способность

    м = Коэффициент умножения

    I D = Массовый темный ток

    I L = Ток утечки поверхности

    Термический шум в транс-импеданс усилитель IS,

    , где K B = Coltzmann Constance

    T = абсолютная температура

    R L = сопротивление нагрузки

    Разница между PIN-кодом и лавинным фотодиодом | Лавинный фотодиод по сравнению с лавинным фотодиодомPIN-код фотодиода 9040
    Avalanche PhotoDiode Параметры PIN-код PIN-код
    Четыре слоя — P +, I, P, N + слои Три слоя — P + , Я, N +
    Время ответа Очень менее
    Низкое значение Текущего Выходной ток Умножение носителей Причины усиленные тока
    Получение может быть настолько высоко, чем 200 Внутренняя прибыль Усиление незначительно
    Высокочувствительный Чувствительность немного менее чувствительны
    Усилители могут улучшить производительность, но APD все еще может работать без этого, так как усиление alre ады там. Усилитель   Внутреннего усиления нет, поэтому использование усилителей обязательно.
    Высший из-за умножения заряда Shoul сравнительно меньше, чем APDS
    чрезвычайно высокий Reverse Bias напряжение Низкий
    Great стабильность 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

    Для достижения хорошего ОСШ 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.

    APD и схемы гашения
    1. Цепь пассивного гашения : В этом типе схемы 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.
    1. Схема активного гашения: Во время перезарядки диодов 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. Кремниевые лавинные фотодиоды могут применяться в оптических дальномерах, лазерных радарах, FSO и т. д.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

    Лавинные фотодиоды Гейгера разработаны как альтернатива 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, подсчитывающий одиночные фотоны

    Они также называются SAPD. SAPD обладают высокой светочувствительностью и оптимизированы для высокой квантовой частоты. Некоторые из его приложений включают датчик изображения , 3D-визуализацию, квантовую криптографию и т. Д.

    Преимущества и недостатки Avalanche PhotoDiode

    Преимущества Avalanche PhotoDiode
      • Это может обнаружить свет низкой интенсивности .
      • ‌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.

      Почему лавинный срыв увеличивается с температурой?

      Повышение температуры увеличивает вибрацию атомов и уменьшает длину свободного пробега.Поскольку путь становится меньше, носителям заряда требуется больше энергии для движения. Следовательно, напряжение пробоя должно быть увеличено.

      Для получения дополнительной статьи, связанной с электроникой, нажмите здесь

      О компании Kaushikee Banerjee

      Я увлекаюсь электроникой и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями. Мой интерес заключается в изучении передовых технологий. Я с энтузиазмом учусь и работаю с электроникой с открытым исходным кодом.
      LinkedIn ID- https://www.linkedin.com/in/kaushikee-banerjee-538321175

      Лавинный фотодиод: функция, поведение, отрасли

      Интеллектуальные транспортные средства, машины и современные устройства перемещаются 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 продукта


      Режим работы лавинного фотодиода:

      Лавинные фотодиоды

      названы так по одной причине: Термин «лавинный» относится к внутреннему усилению 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.

      Фотодиоды

      Avalanche 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 разных длин волн, скорость APD и их возможности для ваших проектов.

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

      • Серия 8r
      • Серия 8
      • Серия 9
      • Серия 9,5
      • Серия 10
      • Серия 11
      Пожалуйста, выберите серию извещателя справа!

      Загрузки


      Типичные области применения APD

      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 секторов и приложений

      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, датчик

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

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

      Строительство, работа и их применение

      Лавинный фотодиод или APD был разработан японским инженером по имени «Дзюн-ити Нисидзава» в 1952 году.APD — это очень чувствительный полупроводниковый детектор, который использует фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество. В 2020 году к этому диоду добавлен слой графена, чтобы избежать деградации в конечном итоге для поддержания этих диодов.

      В системах оптоволоконной связи свет преобразуется в электрические сигналы с помощью одного компонента, такого как лавинный фотодиод или APD. В лавинном процессе носители заряда образуются в результате столкновений. Фотон, похожий на легкую частицу, генерирует много электронов для создания электрического тока.В этой статье обсуждается обзор того, что такое лавинный фотодиод и его работа с приложениями.

      Что такое лавинный фотодиод?

      Диод, в котором используется лавинный метод для обеспечения дополнительных характеристик по сравнению с другими диодами, известен как лавинный фотодиод.

      Avalanche Photodiode

      Эти диоды используются для преобразования оптических сигналов в электрические. Эти диоды могут работать при высоком обратном смещении. Лавинный фотодиод , обозначение , аналогичен диоду Зенера.

      Обозначение лавинного фотодиода

      Конструкция лавинного фотодиода

      Конструкция фотодиода PIN и фотодиода Avalanche аналогична. Этот диод включает в себя две сильно легированные и две слаболегированные области. Здесь сильно легированные области — это P+ и N+, тогда как слабо легированные области — это I и P.

      Конструкция лавинного фотодиода

      В собственной области ширина обедненного слоя в этом диоде значительно меньше, чем в PIN-фотодиоде. Здесь область p+ работает как анод, тогда как область n+ действует как катод.

      По сравнению с другими фотодиодами, этот диод работает в условиях высокого обратного смещения. Таким образом, это позволяет лавинообразно размножаться носителям заряда, образующимся за счет светового удара или фотона. Лавинное действие позволяет увеличить коэффициент усиления фотодиода в несколько раз для обеспечения высокого диапазона чувствительности.

      Принцип работы

      Лавинный пробой происходит в основном после того, как фотодиод подвергается воздействию максимального обратного напряжения. Это напряжение усиливает электрическое поле за пределами обедненного слоя.Когда падающий свет проникает в p+-область, он поглощается чрезвычайно резистивной p-областью, после чего генерируются электронно-дырочные пары.

      Носители заряда дрейфуют, включая их скорость насыщения, в область pn+ везде, где существует сильное электрическое поле. Когда скорость самая высокая, носители заряда будут сталкиваться с другими атомами и создавать новые электронно-дырочные пары. Огромная пара носителей заряда приведет к высокому фототоку.

      Работа лавинного фотодиода

      Эта операция с диодом может быть выполнена в полностью обедненном режиме.Однако они могут работать и в режиме Гейгера в дополнение к линейному лавинному режиму. В этом режиме работы фотодиод может работать при указанном выше напряжении пробоя. В настоящее время запущен еще один режим, а именно «режим суб-Гейгера».

      Лавинный фотодиод в оптоволоконной связи

      В системах оптоволоконной связи (OFC) лавинные фотодиоды обычно используются для распознавания слабых сигналов, но схемы должны быть достаточно оптимизированы, чтобы обеспечить высокое отношение сигнал/шум (S/N).Здесь ОСШ равно

      .

      S/N = мощность фототока/мощность фотодетектора + мощность шума усилителя

      Для получения идеального отношения сигнал/шум квантовая эффективность должна быть высокой, поскольку это значение почти максимальное, поэтому большинство сигналов замечается.

      Характеристики лавинного фотодиода

      Лавинные фотодиоды

      — это высокочувствительные быстродействующие диоды, в которых используется метод внутреннего усиления, работающий за счет подачи обратного напряжения.По сравнению с фотодиодами типа PIN, эти диоды измеряют свет ближнего диапазона, поэтому используются в различных приложениях, где требуется высокая чувствительность, например, для измерения оптического расстояния и оптической связи на большие расстояния.

      Существуют различные семейства лавинных фотодиодов, которые предназначены в основном для обнаружения коротких волн, в противном случае ближнего инфракрасного диапазона.

      В чем разница между контактным фотодиодом и лавинным фотодиодом?

      Различие между фотодиодом и лавинным диодом заключается в следующем.

      PIN-диод
      Лавинный диод

      PIN-диод

      Лавинный диод включает четыре слоя: P+, I, P и N+. состоит из четырех слоев, таких как P+, I и N+.
      Время отклика очень велико. Время отклика очень мало.
      Низкий выходной ток. Умножение несущего тока может вызвать значение тока усилителя.
      Внутреннее усиление 200 дБ. Внутреннее усиление незначительно.
      Чувствительность высокая. Низкая чувствительность.
      Высокий уровень шума. Низкий уровень шума.
      Напряжение обратного смещения очень высокое. Напряжение обратного смещения очень низкое.
      Устойчивость к высоким температурам. Низкотемпературная стабильность.
      Усилитель не нужен из-за имеющегося коэффициента усиления. Усилитель обязателен из-за отсутствия усиления.
      Каково время отклика лавинного фотодиода?
      Фотодиод

      Avalanche имеет малое время отклика.

      Какое темновое сопротивление фотодиода?

      Сопротивление селенового элемента или другого фотоэлектрического устройства в полной темноте известно как темновое сопротивление.

      Где применяются лавинные диоды?
      Лавинные диоды

      в основном используются в качестве генераторов белого шума и источников шума в радиоаппаратурах.Этот диод защищает цепь от нежелательных напряжений.

      Фотодиод с обратным смещением?

      Да, он смещен в обратном направлении для работы в фотопроводящем режиме, потому что, когда этот диод смещен в обратном направлении, ширина обедненного слоя будет увеличена. Таким образом, это уменьшает емкость перехода и время отклика. Обратное смещение может привести к быстрому отклику этого диода.

      Что такое явления лавинного и зенеровского пробоя?

      Лавинный и Зенеровский пробой — это два разных механизма, при которых происходит разрыв PN-перехода.Этот механизм в основном происходит внутри диода в условиях обратного смещения. Лавинный пробой в основном происходит из-за ионизации парами электронов и дырок, в то время как пробой Зинера происходит из-за сильного легирования.

      Преимущества и недостатки

      Преимущества лавинного фотодиода включают следующее.

      • Высокий диапазон чувствительности.
      • Высокая производительность.
      • Быстрое время отклика.
      • Эти диоды применимы здесь, уровень усиления очень важен, так как требуется высокое напряжение, а низкая надежность означает, что их часто менее удобно использовать.
      • Обнаруживает свет низкой интенсивности.
      • Один фотон порождает огромное количество пар носителей заряда.

      К недостаткам лавинного фотодиода относятся следующие.

      • Требуемое рабочее напряжение высокое
      • Выход этого диода нелинейный
      • Высокий диапазон шума
      • Регулярно не используется из-за низкой надежности
      • Для правильной работы используется высокое обратное смещение

      Приложения

      Применение лавинного фотодиода включает следующее.

      • ЛАЗЕРНЫЙ сканер
      • Мост анализатора антенны
      • ПЭТ-сканер
      • Сканер штрих-кода
      • Лазерная микроскопия
      • Лазерные дальномеры
      • Скоростной пистолет
      • APD
      • используются в приемниках OFC (оптоволоконная связь), визуализации, определении дальности, лазерной микроскопии, лазерных сканерах и OTDR (оптических рефлектометрах во временной области).
      • Используются в оптических коммуникациях, например приемные детекторы. Их широкая полоса пропускания и высокая чувствительность сделают их очень популярными среди дизайнеров.Эти диоды работают за счет обратного напряжения за переходом, что позволяет формировать пары носителей заряда в ответ на излучение.

      Итак, это все обзор лавинного фотодиода и его работы. Это двухвыводной диод с PN-переходом, работающий в области обратного пробоя. Эти фотодиоды отличаются высоким SNR (отношением сигнал/шум) по сравнению с PIN-фотодиодами, малым временем отклика, высокой чувствительностью и меньшим темновым током. Диапазон его спектрального отклика обычно составляет от 200 до 1150 нм.Вот вопрос к вам, какие бывают типы фотодиода?

      ЛАЗЕРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ Германия

      Читать последние новости

      Автономный источник питания для лазерных модулей

      08.03.2022

      Последним дополнением к ассортименту аксессуаров LASER COMPONENTS стал модуль FLEXPOINT®-Laser с …

      Собственное производство: оптические волокна с линзами GRIN

      22.02.2022

      Для коллимированных лучей компания LASER COMPONENTS производит оптические волокна с градиентным показателем преломления …

      Точечные и линейные лазерные модули с компактными корпусами

      10.02.2022

      LASER COMPONENTS расширяет свою недорогую линейку продуктов компактными экологичными лазерами для позиционирования. …

      • Разработка, производство и распространение оптических и оптоэлектронных компонентов на заказ
      • Более 35 лет опыта в качестве производителя и дистрибьютора
      • Более 35 000 отдельных компонентов, в основном заказные разработки
      • Международный фокус
      • Более 40 ведущих поставщиков по контракту
      • Доход более 70 млн евро
      • 250 сотрудников по всему миру

       

       

      Всемирная сеть!

      В LASER COMPONENTS стабильность, преемственность и решения, направленные на долгосрочный успех, сочетаются с динамикой, гибкостью, неглубокой иерархией и коротким процессом принятия решений.

      В семейном бизнесе это не противоречие, а скорее результат совместной работы двух поколений, направленной на то, чтобы вести компанию в будущее.

      Поиск по веб-коду

      Вы ищете конкретную статью?


      Добро пожаловать в ЛАЗЕРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ! LASER COMPONENTS — ваш партнер по всем продуктам, связанным с лазерами и оптоэлектроникой.Наш большой портфель разделен на следующие категории: детекторы, лазерные диоды, лазерные модули, электроника, лазерная оптика, оптические фильтры, измерительная техника, волоконная оптика и аксессуары для лазеров. Столь же разнообразны, как эти продукты, так же разнообразны и их соответствующие приложения, которые охватывают диапазон от сенсорных технологий до дальномеров, от биотехнологий до наук об окружающей среде и жизни, а также медицины. Типичные промышленные приложения, такие как лазерная обработка материалов или измерительные технологии, также являются частью нашей повседневной деятельности, а также промышленной обработки изображений и телекоммуникаций.Сделайте правильный выбор и выберите ЛАЗЕРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ: мы предлагаем компетентное обслуживание во всех областях нашего обширного ассортимента продукции. Индивидуальные разработки для клиентов являются одной из наших сильных сторон.

      Лавинные фотодиоды Гейгера, история, свойства и проблемы

      Обнаружение света очень низкой интенсивности стало возможным почти столетие назад, когда в 1913 году Эльстер и Гейтер изобрели фотоэлектрическую трубку всего через несколько лет после того, как Эйнштейн сформулировал в 1905 году фотоэлектрическую работу выхода [1].Прошло более 20 лет, прежде чем в лабораториях RCA был изобретен первый фотоумножитель (ФЭУ), который в 1936 году стал коммерческим продуктом. Отныне можно было обнаружить одиночные фотоны. Дальнейшие инновации привели к созданию очень сложных устройств, доступных в настоящее время. ФЭУ имеют два серьезных недостатка: они очень чувствительны к магнитным полям и их цена высока, поскольку сложная механическая конструкция внутри вакуумного контейнера в основном изготавливается вручную.

      Во многих современных экспериментах по физике высоких энергий используются калориметры с высокой степенью детализации внутри соленоида с сильными магнитными полями.Это вынудило искать альтернативу ФЭУ.

      Очень успешным является PIN-фотодиод, который используется в большинстве крупных экспериментов по физике высоких энергий (CLEO, L3, BELLE, BABAR, GLAST). PIN описывает структуру и обозначает p-, внутренний и n-кремний. Даже с современным усилителем, чувствительным к заряду, который необходим, поскольку устройство не имеет внутреннего усиления, шум находится на уровне нескольких сотен электронов, и, следовательно, наименьшая обнаруживаемая световая вспышка должна состоять из еще большего количества фотонов.

      Лавинные фотодиоды (APD) имеют внутреннее усиление, которое улучшает отношение сигнал/шум, но все же для детектируемого светового импульса требуется около 20 фотонов. Избыточный шумовой фактор, флуктуация лавинного умножения, ограничивает полезный диапазон усиления. CMS — это первый крупный эксперимент, в котором используются лавинные фотодиоды.

      В начале этого тысячелетия был разработан лавинный фотодиод Гейгера (G-APD). Это устройство может обнаруживать одиночные фотоны, как ФЭУ, поэтому некоторые люди называют его кремниевым фотоумножителем, SiPM.Спектр амплитуд импульсов, измеренный с помощью G-APD, показывает разрешение, которое даже лучше, чем то, которое может быть достигнуто с помощью гибридного фотоумножителя (рис. 1).

      Учебный центр Хамамацу: Лавинные фотодиоды

      Концепции цифровой технологии обработки изображений

      Лавинные фотодиоды

      Лавинный фотодиод представляет собой полупроводник на основе кремния, содержащий соединение pn , состоящее из положительно легированной области p и отрицательно легированной области n , между областью нейтрального заряда, называемой обедненной областью .Эти диоды обеспечивают усиление за счет генерации электронно-дырочных пар из энергичного электрона, который создает «лавину» электронов в подложке.

      На рис. 1 показан типичный лавинный фотодиод. Фотоны, попадающие в диод, сначала проходят через слой диоксида кремния, а затем через слои n и p , прежде чем попасть в область истощения, где они возбуждают свободные электроны и дырки, которые затем мигрируют к катоду и аноду соответственно.Когда к полупроводниковому диоду приложено обратное смещение (напряжение) и кристаллический переход между слоями p и n освещен, тогда ток будет течь пропорционально количеству фотонов, падающих на переход.

      Лавинные диоды

      очень похожи по конструкции на кремниевые диоды p-i-n , однако обедненный слой в лавинных фотодиодах относительно тонкий, что приводит к очень крутому локализованному электрическому полю на узком переходе.При работе на устройство подаются очень высокие напряжения обратного смещения (до 2500 вольт). По мере увеличения напряжения смещения энергия электронов, генерируемых в слое p , продолжает увеличиваться, поскольку они претерпевают множественные столкновения с кристаллической решеткой кремния.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.