Eine Lawine-Fotodiode (APD) ist ein hoch empfindlicher Halbleiter elektronisches Gerät, das die fotoelektrische Wirkung ausnutzt, Licht zur Elektrizität umzuwandeln. Von APDs kann als Photoentdecker gedacht werden, die eine eingebaute erste Stufe des Gewinns durch die Lawine-Multiplikation zur Verfügung stellen. Von einer funktionellen Einstellung können sie als das Halbleiter-Analogon zu Photovermehrern betrachtet werden. Durch die Verwendung einer hohen Rückneigungsstromspannung (normalerweise 100-200 V in Silikon) zeigen APDs eine innere aktuelle Gewinn-Wirkung (ungefähr 100) wegen der Einfluss-Ionisation (Lawine-Wirkung). Jedoch verwenden einige Silikon-APDs Alternative lackierende und abschrägende Techniken im Vergleich zu traditionellen APDs, die größerer Stromspannung erlauben, angewandt zu werden (> 1500 V), bevor Depression erreicht wird und folglich ein größerer Betriebsgewinn (> 1000). Im Allgemeinen, höher die Sperrspannung höher der Gewinn. Unter den verschiedenen Ausdrücken für den APD Multiplikationsfaktor (M) wird ein aufschlussreicher Ausdruck durch die Formel gegeben

wo L die Raumanklage-Grenze für Elektronen ist und der Multiplikationskoeffizient für Elektronen (und Löcher) ist. Dieser Koeffizient hat eine starke Abhängigkeit von der angewandten elektrischen Feldkraft, der Temperatur und dem Doping-Profil. Da sich APD Gewinn stark mit der angewandten Rückneigung und Temperatur ändert, ist es notwendig, die Sperrspannung zu kontrollieren, um einen stabilen Gewinn zu behalten. Lawine-Fotodioden sind deshalb im Vergleich zu anderen Halbleiter-Fotodioden empfindlicher.

Wenn sehr hoher Gewinn erforderlich ist (10 bis 10), kann bestimmter APDs (Lawine-Dioden des einzelnen Fotons) mit einer Sperrspannung über der Durchbruchsstromspannung des APD bedient werden. In diesem Fall muss der APD seinen Signalstrom und schnell verringert beschränken lassen. Aktive und passive aktuelle Löschen-Techniken sind für diesen Zweck verwendet worden. APDs, die in diesem Regime des hohen Gewinns funktionieren, sind in der Weise von Geiger. Diese Weise ist für die einzelne Foton-Entdeckung besonders nützlich vorausgesetzt, dass die dunkle Ereignis-Rate der Zählung genug niedrig ist.

Eine typische Anwendung für APDs ist Laserentfernungsmesser, und ordnen Sie lange Faser Sehfernmeldewesen an. Neue Anwendungen schließen Positron-Emissionstomographie und Partikel-Physik ein. APD Reihe wird gewerblich verfügbar.

APD Anwendbarkeit und Nützlichkeit hängen von vielen Rahmen ab. Zwei der größeren Faktoren sind: Quant-Leistungsfähigkeit, die anzeigt, wie gut Ereignis optische Fotonen absorbiert und dann verwendet werden, um primäre Anklage-Transportunternehmen zu erzeugen; und Gesamtleckage-Strom, der die Summe des dunklen Stroms und Photostroms und Geräusches ist. Elektronische dunkle Geräuschbestandteile sind Reihe und passen Geräusch an. Reihe-Geräusch, das die Wirkung des Schuss-Geräusches ist, ist zur APD Kapazität grundsätzlich proportional, während das parallele Geräusch mit den Schwankungen des APD-Hauptteils vereinigt wird und erscheinen Sie dunkle Ströme. Eine andere Geräuschquelle ist der Übergeräuschfaktor, F. Es beschreibt das statistische Geräusch, das mit dem stochastischen APD Multiplikationsprozess innewohnend ist.

Materialien

Im Prinzip kann jedes Halbleiter-Material als ein Multiplikationsgebiet verwendet werden:

• Silikon wird im sichtbaren und nahen infrarot, mit dem niedrigen Multiplikationsgeräusch (Übergeräusch) entdecken.
• Germanium (Ge) wird infrarot zu einer Wellenlänge von 1.7 µm entdecken, aber hat hohes Multiplikationsgeräusch.
• InGaAs wird zum längeren entdecken als 1.6 µm, und hat weniger Multiplikationsgeräusch als Ge. Es wird normalerweise als das Absorptionsgebiet einer heterostructure Diode verwendet, am meisten normalerweise InP als ein Substrat und als eine Multiplikationsschicht einschließend. Dieses Material-System ist mit einem Absorptionsfenster von ungefähr 0.9-1.7 µm vereinbar. InGaAs stellt einen hohen Absorptionskoeffizienten an den zum Hochleistungsfernmeldewesen passenden Wellenlängen mit Glasfaserleitern aus, so sind nur einige Mikrometer von InGaAs für fast 100 % leichte Absorption erforderlich. Der Übergeräuschfaktor ist niedrig genug, um ein Produkt der Gewinn-Bandbreite über 100 GHz für ein einfaches InP/InGaAs System und bis zu 400 GHz für InGaAs auf Silikon zu erlauben. Deshalb ist hohe Geschwindigkeitsoperation möglich: Kommerzielle Geräte sind für Geschwindigkeiten von mindestens 10 Gbit/s verfügbar.
• Gestützte Dioden von Nitrid von Gallium sind für die Operation mit dem ultravioletten Licht verwendet worden.
• HgCdTe hat Dioden gestützt funktionieren in infrarot normalerweise zu einer maximalen Wellenlänge von ungefähr 14 µm, aber verlangen, dass das Abkühlen dunkle Ströme reduziert. Sehr niedriges Übergeräusch kann in diesem materiellen System erreicht werden.

Übergeräusch

Wie oben erwähnt ist das das Geräusch wegen des Multiplikationsprozesses an einem Gewinn, M und wird durch F (M) angezeigt und kann häufig als ausgedrückt werden:

wo das Verhältnis der Loch-Einfluss-Ionisationsrate zu diesem von Elektronen ist. Für ein Elektronmultiplikationsgerät wird es durch die durch die Elektroneinfluss-Ionisationsrate geteilte Loch-Einfluss-Ionisationsrate gegeben. Es ist wünschenswert, eine große Asymmetrie zwischen diesen Raten zu haben, um F (M) zu minimieren, da F (M) einer der Hauptfaktoren ist, die, unter anderem, die bestmögliche erreichbare Energieentschlossenheit beschränken.

Leistungsgrenzen

Zusätzlich zum Übergeräusch gibt es Grenzen zur mit der Kapazität vereinigten Gerät-Leistung, quert Zeiten und Lawine-Multiplikationszeit durch. Die Kapazität nimmt mit dem zunehmenden Gerät-Gebiet und der abnehmenden Dicke zu. Die Transitzeiten (sowohl Elektronen als auch Löcher) nehmen mit der zunehmenden Dicke zu, einen Umtausch zwischen der Kapazität und Transitzeit für die Leistung einbeziehend. Die Lawine-Multiplikationszeitzeiten, die der Gewinn gegeben wird, um zuerst durch das Produkt der Gewinn-Bandbreite zu bestellen, das eine Funktion der Gerät-Struktur und am meisten besonders ist.

Siehe auch

• Lawine-Diode
• Lawine-Depression
• Lawine-Diode des einzelnen Fotons

Weiterführende Literatur

• Das Auswählen des Rechts APD
• Pulsierte Laserdiodes- und Lawine-Fotodioden für Industrieanwendungen