Fotodiodo de avalancha - Avalanche photodiode

Fotodiodo de avalancha

Un fotodiodo de avalancha ( APD ) es un detector de fotodiodo semiconductor altamente sensible que aprovecha el efecto fotoeléctrico para convertir la luz en electricidad. Desde un punto de vista funcional, pueden considerarse como el semiconductor análogo de los fotomultiplicadores . El fotodiodo de avalancha (APD) fue inventado por el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa en 1952. Sin embargo, el estudio de la degradación de avalanchas, defectos de microplasmas en silicio y germanio y la investigación de detección óptica utilizando uniones pn son anteriores a esta patente. Las aplicaciones típicas de los APD son los telémetros láser , las telecomunicaciones de fibra óptica de largo alcance y la detección cuántica para algoritmos de control. Las nuevas aplicaciones incluyen tomografía por emisión de positrones y física de partículas . Las matrices de APD se están volviendo disponibles comercialmente, también la detección de rayos y el SETI óptico pueden ser aplicaciones futuras. En 2020 se descubrió que agregar una capa de grafeno puede evitar la degradación con el tiempo para mantener los fotodiodos de avalancha como nuevos , lo cual es importante para reducir su tamaño y costos para muchas aplicaciones diversas y llevar los dispositivos de los tubos de vacío a la era digital.

Principio de funcionamiento

Al aplicar un alto voltaje de polarización inversa (típicamente 100-200 V en silicio ), los APD muestran un efecto de ganancia de corriente interna (alrededor de 100) debido a la ionización por impacto ( efecto de avalancha ). Sin embargo, algunos APD de silicio emplean técnicas alternativas de dopaje y biselado en comparación con los APD tradicionales que permiten aplicar mayor voltaje (> 1500 V) antes de que se alcance la ruptura y, por lo tanto, una mayor ganancia operativa (> 1000). En general, cuanto mayor sea el voltaje inverso, mayor será la ganancia. Entre las diversas expresiones para el factor de multiplicación de APD ( M ), la fórmula da una expresión instructiva

donde L es el límite de carga espacial de los electrones y es el coeficiente de multiplicación de los electrones (y huecos). Este coeficiente depende en gran medida de la intensidad del campo eléctrico aplicado, la temperatura y el perfil de dopaje. Dado que la ganancia de APD varía mucho con la polarización inversa aplicada y la temperatura, es necesario controlar el voltaje inverso para mantener una ganancia estable. Por tanto, los fotodiodos de avalancha son más sensibles en comparación con otros fotodiodos semiconductores .

Si se necesita una ganancia muy alta (10 5 a 10 6 ), los detectores relacionados con APD ( diodos de avalancha de fotón único ) se pueden usar y operar con un voltaje inverso por encima del voltaje de ruptura de un APD típico . En este caso, el fotodetector debe tener su corriente de señal limitada y disminuida rápidamente. Para este propósito se han utilizado técnicas activas y pasivas de extinción de corriente. Los SPAD que operan en este régimen de alta ganancia a veces se denominan en modo Geiger. Este modo es particularmente útil para la detección de un solo fotón, siempre que la tasa de eventos de recuento de oscuridad y la probabilidad de pulsación posterior sean suficientemente bajas.

Materiales

En principio, cualquier material semiconductor se puede utilizar como región de multiplicación:

  • El silicio detectará en el infrarrojo cercano y visible, con bajo ruido de multiplicación (exceso de ruido).
  • El germanio (Ge) detectará infrarrojos hasta una longitud de onda de 1,7 µm, pero tiene un elevado ruido de multiplicación.
  • InGaAs detectará más de 1,6 µm y tiene menos ruido de multiplicación que Ge. Normalmente se usa como la región de absorción de un diodo de heteroestructura , lo que generalmente involucra al InP como sustrato y como una capa de multiplicación. Este sistema de material es compatible con una ventana de absorción de aproximadamente 0,9-1,7 µm. InGaAs exhibe un alto coeficiente de absorción en las longitudes de onda apropiadas para las telecomunicaciones de alta velocidad que utilizan fibras ópticas , por lo que solo se requieren unos pocos micrómetros de InGaAs para casi el 100% de absorción de luz. El factor de exceso de ruido es lo suficientemente bajo como para permitir un producto de ancho de banda de ganancia superior a 100 GHz para un sistema InP / InGaAs simple, y hasta 400 GHz para InGaAs en silicio. Por lo tanto, el funcionamiento a alta velocidad es posible: los dispositivos comerciales están disponibles a velocidades de al menos 10 Gbit / s.
  • Se han utilizado diodos basados ​​en nitruro de galio para operar con luz ultravioleta .
  • Los diodos basados ​​en HgCdTe operan en el infrarrojo, típicamente en longitudes de onda de hasta aproximadamente 14 µm, pero requieren enfriamiento para reducir las corrientes oscuras. En este sistema de materiales se puede lograr un ruido excesivo muy bajo.

Límites de rendimiento

La aplicabilidad y utilidad de APD depende de muchos parámetros. Dos de los factores más importantes son: la eficiencia cuántica , que indica qué tan bien se absorben los fotones ópticos incidentes y luego se utilizan para generar portadores de carga primarios; y la corriente de fuga total, que es la suma de la corriente oscura, la fotocorriente y el ruido. Los componentes electrónicos de ruido oscuro son ruido en serie y paralelo. El ruido en serie, que es el efecto del ruido de disparo , es básicamente proporcional a la capacitancia del APD, mientras que el ruido paralelo está asociado con las fluctuaciones del volumen del APD y las corrientes oscuras superficiales.

Ganancia de ruido, exceso de factor de ruido

Otra fuente de ruido es el factor de exceso de ruido, ENF. Es una corrección multiplicativa aplicada al ruido que describe el aumento del ruido estadístico, específicamente el ruido de Poisson, debido al proceso de multiplicación. El ENF se define para cualquier dispositivo, como tubos fotomultiplicadores, fotomultiplicadores de estado sólido de silicio y APD, que multiplica una señal y, a veces, se denomina "ruido de ganancia". Con una ganancia M , se denota por ENF ( M ) y a menudo se puede expresar como

donde es la relación entre la tasa de ionización por impacto del agujero y la de los electrones. Para un dispositivo de multiplicación de electrones, está dada por la tasa de ionización por impacto de huecos dividida por la tasa de ionización por impacto de electrones. Es deseable tener una gran asimetría entre estas tasas para minimizar ENF ( M ), ya que ENF ( M ) es uno de los principales factores que limitan, entre otras cosas, la mejor resolución energética posible obtenible.

Ruido de conversión, factor Fano

El término de ruido para un APD también puede contener un factor Fano, que es una corrección multiplicativa aplicada al ruido de Poisson asociado con la conversión de la energía depositada por una partícula cargada en los pares de electrones y huecos, que es la señal antes de la multiplicación. El factor de corrección describe la disminución del ruido, en relación con las estadísticas de Poisson, debido a la uniformidad del proceso de conversión y la ausencia o un acoplamiento débil con los estados del baño en el proceso de conversión. En otras palabras, un semiconductor "ideal" convertiría la energía de la partícula cargada en un número exacto y reproducible de pares de huecos de electrones para conservar energía; en realidad, sin embargo, la energía depositada por la partícula cargada se divide en la generación de pares de huecos de electrones, la generación de sonido, la generación de calor y la generación de daño o desplazamiento. La existencia de estos otros canales introduce un proceso estocástico, donde la cantidad de energía depositada en cualquier proceso varía de un evento a otro, incluso si la cantidad de energía depositada es la misma.

Otras influencias

La física subyacente asociada con el factor de exceso de ruido (ruido de ganancia) y el factor Fano (ruido de conversión) es muy diferente. Sin embargo, la aplicación de estos factores como correcciones multiplicativas al ruido de Poisson esperado es similar. Además del ruido excesivo, existen límites para el rendimiento del dispositivo asociados con la capacitancia, los tiempos de tránsito y el tiempo de multiplicación de avalanchas. La capacitancia aumenta al aumentar el área del dispositivo y al disminuir el espesor. Los tiempos de tránsito (tanto los electrones como los huecos) aumentan con el aumento del espesor, lo que implica una compensación entre la capacitancia y el tiempo de tránsito para el rendimiento. El tiempo de multiplicación de la avalancha por la ganancia se da en primer orden por el producto de ancho de banda de ganancia, que es una función de la estructura del dispositivo y más especialmente .

Ver también

Referencias

Otras lecturas