Лавинный фотодиод ( ЛФД ) — это высокочувствительный тип фотодиода , который, как правило, представляет собой полупроводниковые диоды , использующие фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество. В ЛФД используются материалы и структура, оптимизированные для работы с высоким обратным смещением , приближающимся к напряжению обратного пробоя , так что носители заряда, генерируемые фотоэлектрическим эффектом, умножаются за счет лавинного пробоя ; таким образом, их можно использовать для обнаружения относительно небольшого количества света.
С функциональной точки зрения их можно рассматривать как полупроводниковый аналог фотоумножителей ; в отличие от солнечных элементов, они оптимизированы не для выработки электроэнергии из света, а для обнаружения входящих фотонов. Типичными областями применения ЛФД являются лазерные дальномеры , волоконно-оптическая связь дальнего действия , позитронно-эмиссионная томография и физика элементарных частиц .
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.
Фотодиоды обычно работают за счет ударной ионизации , при этом фотон обеспечивает энергию для разделения носителей заряда в полупроводниковом материале на положительную и отрицательную пару, что, таким образом, может вызвать поток заряда через диод. При приложении высокого напряжения обратного смещения любой фотоэлектрический эффект в диоде может быть умножен лавинным эффектом . Таким образом, ЛФД можно рассматривать как применение эффекта высокого усиления к индуцированному фототоку.
В общем, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Стандартный кремниевый ЛФД обычно может выдерживать обратное смещение 100–200 В до пробоя, что приводит к коэффициенту усиления около 100. Однако, используя альтернативные методы легирования и скашивания (структурных) методов по сравнению с традиционными ЛФД, можно создавать конструкции где можно подать большее напряжение (> 1500 В) до того, как будет достигнут пробой , и, следовательно, достигается больший рабочий коэффициент усиления (> 1000).
Среди различных выражений для коэффициента умножения APD ( M ) поучительное выражение дает формула
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 внимательно следить за обратным напряжением, чтобы поддерживать стабильный коэффициент усиления.
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.
В качестве области умножения в принципе можно использовать любой полупроводниковый материал:
ЛФД часто конструируются не как простые pn-переходы , а имеют более сложную конструкцию, например p+-ip-n+. [6]
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.
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
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.
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.
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 , .