Optiskās noteikšanas pasaulē mums bieži ir jānosaka ārkārtīgi vāji optiskie signāli, piemēram, liela attāluma{0}}optisko šķiedru sakaru, LiDAR vai astronomisko novērojumu laikā. Parastās fotodiodes bieži vien neatbilst šādiem uzdevumiem, jo to radītie elektriskie signāli ir pārāk vāji un tos var viegli apslāpēt sistēmai raksturīgais troksnis. Šeit tiek izmantota Avalanche Photodiode. Ar savu unikālo iekšējo pastiprināšanas mehānismu tas ir kļuvis par zvaigzni augstas-jutības fotonoteikšanas jomā.
No parastajām fotodiodēm līdz APD
Parastās fotodiodes darbojas, pamatojoties uz fotoelektrisko efektu pusvadītāju PN savienojumā. Kad fotons ar pietiekamu enerģiju (hv > Eg, kur Eg ir pusvadītāja materiāla joslas spraugas enerģija) nonāk izsīkuma apgabalā, tas ierosina elektronu no valences joslas uz vadīšanas joslu, tādējādi ģenerējot elektronu -caurumu pāri. Izmantojot apgriezto novirzi, šie fotoģenerētie nesēji virzās virzienā, veidojot fotostrāvu. Šis process ir viens-pret-viens: viens fotons ģenerē vienu nesēju pāri.
APD pamatā ir šis pats pamatprincips, taču to sarežģītība slēpjas turpmākajā "lavīnas" procesā.
Pamatprincips: trieciena jonizācija un lavīnu pavairošana
Galvenā atšķirība starp APD un parasto fotodiodi ir tā darba spriegumā. APD tiek pakļauts ļoti lielai apgrieztajai nobīdei, kas ir ļoti tuvu (bet nedaudz zem) PN savienojuma pārrāvuma spriegumam. Šajā spēcīgajā elektriskā laukā fotoģenerētie nesēji (neatkarīgi no tā, vai tie ir elektroni vai caurumi, atkarībā no pusvadītāju materiāla konstrukcijas) tiek ievērojami paātrināti, iegūstot ļoti augstu kinētisko enerģiju.
Kad šie ātrdarbīgie{0}}nesēji saduras ar režģa atomiem, tiem ir pietiekami daudz enerģijas, lai elektronus "izsist" no valences joslas uz vadīšanas joslu, tādējādi radot jaunus elektronu{1}}caurumu pārus. Šo procesu sauc par "trieciena jonizāciju". Jaunizveidotos nesējus savukārt paātrina spēcīgais elektriskais lauks, un tie ietekmē -vēl vairāk nesēju. No viena tiek radīti divi; no diviem rodas četri... Ārkārtīgi īsā laikā un niecīgā telpā nesēju skaits pieaug eksponenciāli, veidojot lavīnai līdzīgu ķēdes reakciju. No tā cēlies nosaukums "lavīnu fotodiode".
Galu galā viens sākotnējais fotons vairs nerada tikai vienu nesēju pāri, bet lavīnas efekta dēļ iedarbina simtiem vai pat tūkstošiem nesēju pāru. Šis nesēju skaita pastiprināšanas koeficients ir pazīstams kā APD "pastiprinājums" vai "reizināšanas koeficients", kas parasti var svārstīties no desmitiem līdz simtiem.
APD galvenās īpašības un izaicinājumi
Augsta jutība:Pateicoties iekšējam pastiprinājumam, APD var noteikt vājus optiskos signālus, kas nav pamanāmi parastajām fotodiodēm, ievērojami uzlabojot signāla -pret{1}}trokšņu attiecību.
Reakcijas ātrums:APD lavīnas process notiek pikosekundēs, padarot to reakciju ļoti ātru, piemērotu ātrdarbīgai saziņai{0}} un impulsu lāzera noteikšanai.
Darbības novirze:APD jādarbojas ar augstu nobīdes spriegumu, kas ir tuvu pārrāvuma spriegumam, kas izvirza ārkārtīgi augstas prasības barošanas avota stabilitātei. Minūtes sprieguma svārstības var izraisīt būtiskas pastiprinājuma izmaiņas un pat izraisīt ierīces bojājumus.
Troksnis:Tas ir galvenais APD izaicinājums. Pats lavīnas process ir stohastisks, un pieaugumam ir raksturīgas svārstības, kas rada "reizināšanas troksni". Turklāt tumšā strāva rodas termisko efektu, cita starpā, dēļ. Tāpēc APD bieži ir jāizmanto kopā ar termoelektriskiem dzesētājiem, lai stabilizētu temperatūru un samazinātu troksni.
Lietojumprogrammas
APD izcilā veiktspēja padara tos par neaizstājamiem daudzās progresīvākās{0}}tehnoloģijas jomās:
Optiskā komunikācija:Izmanto lielas{0}}attāluma, ātrgaitas optiskās šķiedras sakaru uztveršanas galā, lai paplašinātu pārraides diapazonu.
LiDAR:Izmanto autonomai braukšanai un 3D kartēšanai, lai noteiktu vājus lāzera signālus, kas atspoguļoti no attāliem objektiem.
Medicīniskā attēlveidošana:Piemēram, pozitronu emisijas tomogrāfija, ko izmanto, lai noteiktu gamma fotonus no ķermeņa.
Astronomija un spektroskopija:Vāju fotonu noteikšana no tālām zvaigznēm.
Secinājums
Rezumējot, lavīnas fotodiode darbojas, pieliekot spēcīgu elektrisko lauku tuvu sabrukšanas spriegumam tās iekšējā struktūrā, izmantojot trieciena jonizāciju, lai izraisītu lavīnas pavairošanas efektu, tādējādi iekšēji pastiprinot fotoģenerēto strāvu. Šis unikālais darbības princips padara to par ideālu izvēli vāju, ātru optisko signālu noteikšanai. Lai gan tas saskaras ar problēmām saistībā ar trokšņu kontroli un novirzes stabilitāti, APD ar to nepārspējami augsto jutību un lielu -ātruma reakciju stingri ieņem izšķirošo vietu mūsdienu optoelektroniskajā tehnoloģijā.