Ve světě optické detekce často potřebujeme detekovat extrémně slabé optické signály, například při komunikaci pomocí optických vláken na velké vzdálenosti, LiDAR nebo astronomických pozorováních. Běžné fotodiody často v takových úlohách nedosahují, protože elektrické signály, které generují, jsou příliš slabé a mohou být snadno přehlušeny vnitřním šumem systému. Zde vstupuje do hry Avalanche Photodiode. Díky svému jedinečnému mechanismu vnitřního zisku se stal hvězdou na poli vysoce-citlivé fotodetekce.
Od obyčejných fotodiod k APD
Běžné fotodiody fungují na základě fotoelektrického jevu v polovodičovém PN přechodu. Když foton s dostatečnou energií (hv > Eg, kde Eg je energie bandgap polovodičového materiálu) zasáhne oblast vyčerpání, excituje elektron z valenčního pásma do vodivostního pásu, čímž se vytvoří elektronový -dírový pár. Při aplikovaném zpětném předpětí se tyto fotogenerované nosiče pohybují směrově a vytvářejí fotoproud. Tento proces je jeden-k-jeden: jeden foton generuje jeden pár nosičů.
APD jsou založeny na stejném základním principu, ale jejich propracovanost spočívá v následném „lavinovém“ procesu.
Základní princip: Ionizace nárazem a multiplikace laviny
Klíčový rozdíl mezi APD a běžnou fotodiodou spočívá v jejím provozním napětí. APD je vystaveno velmi vysokému zpětnému předpětí, hodnotě velmi blízké (ale mírně nižší) průraznému napětí PN přechodu. V tomto silném elektrickém poli jsou fotogenerované nosiče (ať už elektrony nebo díry, v závislosti na konstrukci polovodičového materiálu) značně urychleny a získávají velmi vysokou kinetickou energii.
Když se tyto vysokorychlostní nosiče srazí s atomy mřížky, mají dostatek energie na to, aby „srazily“ elektrony z valenčního pásma do vodivostního pásma, a tím vytvořily nové páry elektronových{1}}děr. Tento proces se nazývá „nárazová ionizace“. Nově generované nosiče jsou zase urychlovány silným elektrickým polem a pokračují v dopadu-ionizace ještě více nosičů. Z jednoho vzniknou dva; ze dvou vzniknou čtyři... V extrémně krátkém čase a na malém prostoru se počet nosičů exponenciálně zvyšuje a vytváří řetězovou reakci podobnou lavině. Odtud pochází název "Avalanche Photodiode."
Nakonec jediný počáteční foton již neprodukuje pouze jeden nosný pár, ale prostřednictvím lavinového efektu spouští stovky nebo dokonce tisíce nosných párů. Tento faktor zesílení počtu přenašečů je známý jako „zisk“ nebo „násobný faktor“ APD, který se může typicky pohybovat od desítek do stovek.
Klíčové vlastnosti a výzvy APD
Vysoká citlivost:Díky vnitřnímu zesílení dokážou APD detekovat slabé optické signály, které jsou pro běžné fotodiody nepostřehnutelné, což výrazně zlepšuje poměr signálu -k{1}}šumu.
Rychlost odezvy:Lavinový proces v APD probíhá v pikosekundovém časovém měřítku, díky čemuž je jejich odezva velmi rychlá, vhodná pro vysokorychlostní-komunikaci a pulzní laserovou detekci.
Provozní zkreslení:APD musí pracovat při vysokém předpětí blízkém průraznému napětí, což klade extrémně vysoké nároky na stabilitu napájecího zdroje. Minutové kolísání napětí může způsobit významné změny v zesílení a dokonce vést k poškození zařízení.
Hluk:To je hlavní výzva pro APD. Samotný lavinový proces je stochastický a zisk má vlastní fluktuace, což zavádí „multiplikační šum“. Kromě toho vzniká temný proud mimo jiné v důsledku tepelných účinků. Proto je třeba APD často používat s termoelektrickými chladiči pro stabilizaci teploty a snížení hluku.
Aplikace
Díky výjimečnému výkonu APD jsou nepostradatelné v mnoha špičkových{0}}technologických oblastech:
Optická komunikace:Používá se na přijímací straně na dlouhé{0}}vzdálené, vysokorychlostní{1}}komunikaci z optických vláken k rozšíření dosahu přenosu.
LiDAR:Používá se při autonomním řízení a 3D mapování k detekci slabých laserových signálů odražených od vzdálených objektů.
Lékařské zobrazování:Jako je pozitronová emisní tomografie, která se používá k detekci gama fotonů z těla.
Astronomie a spektroskopie:Detekce slabých fotonů ze vzdálených hvězd.
Závěr
Stručně řečeno, Avalanche Photodiode funguje tak, že aplikuje silné elektrické pole v blízkosti průrazného napětí ve své vnitřní struktuře a využívá nárazovou ionizaci ke spuštění lavinové multiplikační efektu, čímž vnitřně zesiluje fotogenerovaný proud. Tento jedinečný pracovní princip z něj dělá ideální volbu pro detekci slabých, rychlých optických signálů. Přestože APD čelí výzvám v oblasti kontroly hluku a stability předpětí, mají díky své bezkonkurenčně vysoké citlivosti a vysoké{2}}rychlosti odezvy pevně klíčovou pozici v moderní optoelektronické technologii.