Lavīnfotodiode

Silīcija lavīnfotodiodes struktūra. 1 — omiskie kontakti; 2 — pretatstarošanās pārklājums

Lavīnfotodiode (LFD; angļu: avalanche photodiode, APD) ir augstas jutības pusvadītāja elektroniska ierīce, kas, izmantojot fotoelektrisko efektu, pārveido gaismu par elektrību. To var uzskatīt par fotodetektoru, kas ar lavīnveida pavairošanas efektu nodrošina sākuma posmu iekšējam pastiprinājumam. No funkcionālā viedokļa, to var uzskatīt par pusvadītāja analogu fotoelektronu pavairotājam. Izmantojot pretējas noslieces spriegumu (parasti 100–200 V silīcijam), fotodiodei ir novērojams iekšējs strāvas ieguves efekts (līdz 100), kas rodas jonizācijas ietekmē (lavīnveida efekts). Tomēr dažas silīcija LFD diodes salīdzinājumā ar tradicionālajām LFD, kas ļauj izmantot lielāku spriegumu (>1500) pirms pārrāvuma, tādējādi sasniedzot lielāku pastiprinājumu (>1000), ir ar alternatīvām noteikšanas un slīpuma tehnikām. Galvenokārt, jo augstāks reversais spriegums, jo augstāks palielinājums. Līdz ar daudzām LFD diodes pavairošanas faktoru (M) izteiksmēm, to var izteikt ar formulu:

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

kur L ir telpiskā lādiņa robeža elektroniem un $\alpha$ ir elektronu (un caurumu) reizināšanas koeficients. Šis koeficients lielā mērā ir atkarīgs no pievienotā elektriskā lauka spēka, temperatūras un noteikšanas profila. Kopš LFD diodes pastiprinājums ievērojami atšķiras ar piemēroto reverso slīpumu un temperatūru, lai saglabātu stabilu pastiprinājumu, ir nepieciešams veikt reversā sprieguma kontroli. Tādēļ lavīnfotodiodes salīdzinājumā ar citām pusvadītāju fotodiodēm ir daudz jutīgākas.

Ja nepieciešams ļoti augsts pastiprinājums (10⁵ līdz 10⁶), noteiktas LFD diodes (viena fotona lavīndiodes) var darbināt ar reverso spriegumu, kas ir augstāks par LFD diodes caursišanas spriegumu. Šādā gadījumā LFD diodei ir nepieciešams ierobežot un ātri samazināt tās signāla strāvu. Šādam mērķim tiek pielietotas aktīvas un pasīvas strāvas dzēšanas tehnikas. LFD diodes, kas darbojas šādā augsta guvuma režīmā ir Geigera tipa. Šādu režīmu var izmantot, lai noteiktu atsevišķu fotonu, pie samērā zemas tumšo punktu proporcijas.

Izmantošana

Svītrkodu nolasītājos izmanto lavīnfotodiodes

Tipiski LFD diodes tiek izmantotas lāzera telemetros un gara intervāla optisko šķiedru telekomunikācijās. Jaunais pielietojums ietver pozitronu emisijas tomogrāfiju un elementārdaļiņu fiziku. LFD diožu masīvi ir komerciāli pieejami.

LFD diožu pielietojums un izmantojamība ir atkarīga no daudziem parametriem. Divi no nozīmīgākajiem faktoriem ir: kvantu efektivitāte, kas norāda uz to, cik labi tiek absorbēti epizožu optiskie fotoni un pēc tam pielietoti, lai ģenerētu primāros lādiņa nesējus; un kopējo strāvas noplūdi, kas ietver tumšo strāvu, fotostrāvu un troksni. Elektronu tumšā trokšņa komponenti ir virknes slēgums un paralēlais troksnis. Virknes troksnis, kas ir palaišanas trokšņa efekts, pamatā ir proporcionāls LFD diodes pretestībai, tai pat laikā paralēlais troksnis ir saistīts ar LFD diodes apjoma svārstībām un virsmas tumšo strāvu. Cits trokšņa avots ir ārējā trokšņa faktors F. Tas apzīmē statistisko troksni, kas ir raksturīgs stohastiskajam LFD diodes pavairošanas procesam.

Lavīnfotodiodes izmanto:

• neliela gaismas daudzuma detektēšanai;
• lāzerradaru sistēmās;
• optisko datu pārraidē;
• svītrkodu nolasītājos;
• biomedicīnas aprīkojumā.

Materiāli

Principā jebkāda veida pusvadītāja materiālu var izmantot kā pavairošanas zonu:

• Silīcijs uztvers redzamo un gandrīz infrasarkano starojumu, ar zemu pavairošanas troksni (ārējo troksni).
• Germānijs (Ge) uztvers infrasarkano starojumu ārpus viļņu garuma 1,7 µm, bet tam ir augsts pavairošanas troksnis.
• InGaAs uztvers starojumu garāku par 1,6 µm, un tam ir mazāks pavairošanas troksnis kā Ge. Parasti to izmanto kā absorbcijas zonu heterostruktūras diodei, visbiežāk kā pamatu un pavairošanas slāni piesaistot InP. Šāda materiālu sistēma atbilst absorbcijas logam ar aptuveni 0,9-1,7 µm. InGaAs eksponē augstu absorbcijas koeficientu pie viļņa garuma, kas atbilst augsta ātruma telekomunikācijām, kam tiek izmantotas optiskās šķiedras, tādējādi tikai dažus mikrometrus no InGaAs ir nepieciešama gandrīz 100% gaismas absorbcija. Pārmērīga trokšņa faktors ir pietiekami zems, lai varētu izmantot frekvenču joslas platumu papildus 100 GHz vienkāršai InP/InGaAs sistēmai, līdz 400 GHz priekš InGaAs ar silīciju. Tādēļ ir iespējama ātra darbība: komerciāli mehānismi ir pieejami ar ātrumu vismaz līdz 10 Gbit/s.
• Gallija nitrīda diodes tiek izmantotas darbam ar ultravioleto gaismu.
• HgCdTe, kas balstās uz diodēm, darbojas infrasarkanajā gaismā, parasti pie maksimālā viļņa garuma ap 14 µm, bet, lai samazinātu tumsas strāvu, tam nepieciešama dzesēšana. Šādā materiālu sistēmā var sasniegt ļoti zemu virsnormas troksni.

Virsnormas troksnis

Kā minēts iepriekš, tas ir troksnis M, kas rodas pie pastiprināšanas procesa, un to apzīmē ar F(M), bieži to var izteikt ar:

$F=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)\left(1-\kappa \right)$

kur $\kappa \,$ ir elektronu trieciena procesā radusies jonizācijas proporcija. Elektronu pavairošanas mehānismam to nosaka, sniedzot caurumu trieciena jonizācijas proporciju, un attiecīgi dalot to ar elektronu trieciena jonizācijas proporciju. Ir vēlams, lai starp šīm proporcijām būtu liela simetrija, kas mazinātu F(M). F(M) ir viens no galvenajiem ierobežojošajiem faktoriem, bet tam ir labākā iegūstamā enerģijas izšķirtspēja.

Veiktspējas ierobežojumi

Papildus virsnormas troksnim, pastāv ierobežojumi mehānisma veiktspējā, kas saistīti ar kapacitatīvo pretestību, pārvadīšanas laiku un lavīnveida pavairošanas laiku. Kapacitatīvā pretestība palielinās līdz ar pieaugošo mehānisma laukumu un samazināto biezumu. Pārvadīšanas laiks (elektronu un caurumu) palielinās līdz ar pieaugošo biezumu, ietverot apmaiņu starp kapacitatīvo pretestību un darbam nepieciešamo pārvadīšanas laiku. Lavīnveida pavairošanas laiks regulē ietaupījumu, kas nepieciešams sākotnējam frekvenču joslas platuma produktam, kas ir mehānisma konstrukcijas funkcija un galvenokārt κ.