Лавинный фотодиод

Высокочувствительное полупроводниковое электронное устройство

Лавинный фотодиод ( ЛФД ) — это высокочувствительный полупроводниковый фотодиодный детектор , который использует фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество. С функциональной точки зрения их можно рассматривать как полупроводниковый аналог фотоумножителей . Лавинный фотодиод был изобретен японским инженером Дзюнъити Нисидзавой в 1952 году. ^[1] Однако изучение лавинного пробоя, микроплазменных дефектов в кремнии и германии, а также исследование оптического обнаружения с использованием pn-переходов предшествовали этому патенту. Типичными применениями ЛФД являются лазерные дальномеры , оптоволоконные телекоммуникации дальнего действия и квантовое зондирование для алгоритмов управления. Новые приложения включают позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц .

Принцип действия

При применении высокого напряжения обратного смещения (обычно 100–200 В в кремнии ) ЛФД демонстрируют эффект усиления внутреннего тока (около 100) из-за ударной ионизации ( лавинный эффект ). Однако в некоторых кремниевых ЛФД используются альтернативные методы легирования и скашивания по сравнению с традиционными ЛФД, которые позволяют подавать большее напряжение (> 1500 В) до достижения пробоя и, следовательно, больший рабочий коэффициент усиления (> 1000). В общем, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Среди различных выражений для коэффициента умножения APD ( M ) поучительное выражение дает формула

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

где L — граница пространственного заряда для электронов, а — коэффициент умножения для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и профиля легирования. Поскольку коэффициент усиления ЛФД сильно зависит от приложенного обратного смещения и температуры, необходимо контролировать обратное напряжение, чтобы поддерживать стабильный коэффициент усиления. Поэтому лавинные фотодиоды более чувствительны по сравнению с другими полупроводниковыми фотодиодами . ${\displaystyle \alpha }$

Если требуется очень высокий коэффициент усиления (от 10 ⁵ до 10 ⁶ ), можно использовать детекторы, относящиеся к ЛФД, называемые SPAD ( однофотонные лавинные диоды ), которые будут работать с обратным напряжением, превышающим напряжение пробоя типичного ЛФД . В этом случае сигнальный ток фотодетектора необходимо ограничить и быстро уменьшить. Для этой цели использовались методы активного и пассивного гашения тока. SPAD, работающие в этом режиме с высоким коэффициентом усиления, иногда называют режимом Гейгера. Этот режим особенно полезен для обнаружения одиночных фотонов при условии, что частота событий темнового счета и вероятность послеимпульсов достаточно низки.

Материалы

В принципе, в качестве области умножения можно использовать любой полупроводниковый материал:

• Кремний обнаруживает в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне с низким шумом умножения (избыточным шумом).
• Германий (Ge) обнаруживает инфракрасное излучение с длиной волны до 1,7 мкм, но имеет высокий шум умножения.
• InGaAs обнаруживает сигналы на расстоянии более 1,6 мкм и имеет меньший шум умножения, чем Ge. Обычно он используется в качестве области поглощения гетероструктурного диода , чаще всего с использованием InP в качестве подложки и слоя умножения. ^[2] Эта система материалов совместима с окном поглощения примерно 0,9–1,7 мкм. InGaAs демонстрирует высокий коэффициент поглощения на длинах волн, соответствующих высокоскоростным телекоммуникациям с использованием оптических волокон , поэтому для почти 100% поглощения света требуется всего несколько микрометров InGaAs . ^[2] Коэффициент избыточного шума достаточно низок, чтобы обеспечить коэффициент усиления на полосу пропускания более 100 ГГц для простой системы InP/InGaAs, ^[3] и до 400 ГГц для InGaAs на кремнии. ^[4] Таким образом, возможна высокоскоростная работа: коммерческие устройства доступны со скоростью не менее 10 Гбит/с. ^[5]
• Для работы с ультрафиолетовым светом использованы диоды на основе нитрида галлия .
• Диоды на основе HgCdTe работают в инфракрасном диапазоне, обычно на длинах волн примерно до 14 мкм, но требуют охлаждения для уменьшения темновых токов. В этой системе материалов можно достичь очень низкого избыточного шума.

Ограничения производительности

Применимость и полезность APD зависит от многих параметров. Двумя наиболее важными факторами являются: квантовая эффективность , которая показывает, насколько хорошо падающие оптические фотоны поглощаются и затем используются для генерации первичных носителей заряда; и общий ток утечки, который представляет собой сумму темнового тока, фототока и шума. Электронные компоненты темнового шума представляют собой последовательный и параллельный шум. Последовательный шум, являющийся эффектом дробового шума , в основном пропорционален емкости ЛФД, тогда как параллельный шум связан с флуктуациями объемного и поверхностного темновых токов ЛФД.

Усиление шума, коэффициент избыточного шума

Другим источником шума является коэффициент избыточного шума ENF. Это мультипликативная коррекция, применяемая к шуму, которая описывает увеличение статистического шума, в частности шума Пуассона, из-за процесса умножения. ENF определяется для любого устройства, такого как фотоумножители, кремниевые твердотельные фотоумножители и ЛФД, которые умножают сигнал, и иногда его называют «шумом усиления». При коэффициенте усиления M он обозначается ENF( M ) и часто может быть выражен как

${\displaystyle {\text{ENF}}=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)(1-\kappa ),}$

где – отношение скорости ударной ионизации дырок к скорости ионизации электронов. Для устройства электронного умножения он определяется как скорость ионизации дырочным ударом, деленная на скорость ионизации электронным ударом. Желательно иметь большую асимметрию между этими скоростями, чтобы минимизировать ENF( M ), поскольку ENF( M ) является одним из основных факторов, которые ограничивают, среди прочего, наилучшее возможное энергетическое разрешение. ${\displaystyle \kappa }$

Шум преобразования, коэффициент Фано

Термин шума для APD может также содержать коэффициент Фано, который представляет собой мультипликативную поправку, применяемую к шуму Пуассона, связанному с преобразованием энергии, выделяемой заряженной частицей в пары электрон-дырка, что является сигналом перед умножением. Поправочный коэффициент описывает уменьшение шума по сравнению со статистикой Пуассона из-за однородности процесса преобразования и отсутствия или слабой связи с состояниями ванны в процессе преобразования. Другими словами, «идеальный» полупроводник преобразует энергию заряженной частицы в точное и воспроизводимое количество пар электронов и дырок для сохранения энергии; в действительности, однако, энергия, выделяемая заряженной частицей, делится на генерацию пар электронов и дырок, генерацию звука, генерацию тепла и генерацию повреждения или смещения. Существование этих других каналов представляет собой стохастический процесс, при котором количество энергии, вложенной в любой отдельный процесс, варьируется от события к событию, даже если количество вложенной энергии одинаково.

Дальнейшие влияния

Основная физика, связанная с коэффициентом избыточного шума (шум усиления) и фактором Фано (шум преобразования), сильно различается. Однако применение этих коэффициентов в качестве мультипликативных поправок к ожидаемому пуассоновскому шуму аналогично. Помимо избыточного шума, существуют ограничения на производительность устройства, связанные с емкостью, временем прохождения и временем лавинного умножения. ^[2] Емкость увеличивается с увеличением площади устройства и уменьшением его толщины. Время прохождения (как электронов, так и дырок) увеличивается с увеличением толщины, что подразумевает компромисс между емкостью и временем прохождения для повышения производительности. Время лавинного умножения, умноженное на усиление, определяется произведением усиления на полосу пропускания первого порядка, которое является функцией структуры устройства и, в частности, . ${\displaystyle \kappa \,}$

Смотрите также

• Лавинный диод
• Лавинный обвал
• Однофотонный лавинный диод

Рекомендации

1. «Дзюнъити Нисидзава - инженер, специальный профессор Софийского университета - ОБЗОР КАЧЕСТВА ЯПОНИИ» . Архивировано из оригинала 21 июля 2018 г. Проверено 15 мая 2017 г.
2. Tsang, WT, изд. (1985). Полупроводники и полуметаллы . Том. 22, Часть Г «Фотоприемники». Академическая пресса.
3. Тароф, LE (1991). «Планарный лавинный фотодетектор InP/GaAs с произведением усиления в полосе пропускания более 100 ГГц». Электронные письма . 27 (1): 34–36. Бибкод : 1991ElL....27...34T. дои : 10.1049/эл: 19910023.
4. Ву, В.; Хокинс, Арканзас; Бауэрс, Дж. Э. (1997). Пак Юн Су; Рамасвами, Раму В. (ред.). «Разработка лавинных фотодетекторов InGaAs/Si для продуктов с полосой усиления 400 ГГц». Труды SPIE . Оптоэлектронные интегральные схемы. 3006 : 36–47. Бибкод : 1997SPIE.3006...38W. дои : 10.1117/12.264251. S2CID  109777495.
5. Кэмпбелл, JC (2007). «Последние достижения в области телекоммуникационных лавинных фотодиодов». Журнал световых технологий . 25 (1): 109–121. Бибкод : 2007JLwT...25..109C. дои : 10.1109/JLT.2006.888481. S2CID  1398387.

дальнейшее чтение

• Лавинный фотодиод – Руководство пользователя [1]
• Лавинный фотодиод – малошумящие приемники ЛФД [2]
• Кагава, С. (1981). «Полностью ионно-имплантированные германиевые лавинные фотодиоды p+-n». Письма по прикладной физике . 38 (6): 429–431. Бибкод : 1981ApPhL..38..429K. дои : 10.1063/1.92385.хх
• Хён, Кён Сук; Пак, Чан-Ён (1997). «Характеристики пробоя лавинного фотодиода InP/InGaAs со структурой слоя умножения выводов». Журнал прикладной физики . 81 (2): 974. Бибкод : 1997JAP....81..974H. дои : 10.1063/1.364225.
• Выбор правильного APD
• Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленного применения
• Фотонные детекторы Excelitas Technologies [3]