¿Qué es el fotodiodo de avalancha? | Sus 5+ usos y características importantes

Fotodiodo de avalancha

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Tema de discusión: Fotodiodo de avalancha

Definición de fotodiodo de avalancha

Los fotodiodos de avalancha o APD son dispositivos semiconductores altamente sensibles que transforman señales ópticas en señales eléctricas. Estos se operan con un alto sesgo inverso. El término 'avalancha' proviene del fenómeno de ruptura por avalancha.

Símbolo de fotodiodo de avalancha

Fotodiodo de avalancha

El símbolo del fotodiodo de avalancha es el mismo que el del diodo Zener.

Estructura del fotodiodo de avalancha

Estructura APD

La estructura del fotodiodo Avalanche ordinario es similar al fotodiodo PIN. Consiste en dos regiones fuertemente dopadas (región p + y n +) y dos regiones ligeramente dopadas (región I o intrínseca y región P). El ancho de la capa de agotamiento en la región intrínseca es relativamente más delgado en APD que el fotodiodo PIN. La región p + actúa como el ánodo y n + actúa como el cátodo. El sesgo inverso se aplica principalmente en la región pn +.

Diagrama del circuito del fotodiodo de avalancha

Para aplicar condiciones de polarización inversa, la región p + se conecta al terminal negativo y la región n + se conecta al terminal positivo de la batería.

Principio de funcionamiento del fotodiodo de avalancha

  • La avería por avalancha se produce cuando el diodo se somete a un alto voltaje inverso.
  • El voltaje de polarización inversa aumenta el campo eléctrico a través de la capa de agotamiento.
  • La luz incidente entra en la región p + y luego se absorbe en la región p altamente resistiva. Aquí se producen pares de electrones-huecos.
  • Un campo eléctrico comparativamente más débil provoca la separación entre estos pares. Los electrones y los huecos se desplazan con su velocidad de saturación hacia la región pn + donde existe un campo eléctrico elevado.
  • Cuando la velocidad es máxima, los portadores chocan con otros átomos y generan nuevos pares de electrones y huecos. Un gran número de pares eh da como resultado una alta fotocorriente.

Características del fotodiodo de avalancha

  • La región intrínseca en APD está ligeramente dopada de tipo p. También es llamado ?-región.
  • La región n + es más delgada y está iluminada a través de una ventana.
  • El campo eléctrico es máximo en la unión pn + y luego comienza a disminuir a través de la región p. Su intensidad disminuye en la región \ beta y desaparece gradualmente al final de la capa p +.
  • Incluso un solo fotón absorbido conduce a la generación de una gran cantidad de pares de electrones y huecos. Esto se llama proceso de ganancia interna.
  • El exceso de generación de pares de electrones y huecos debido a la colisión de los portadores de carga se denomina multiplicación de avalanchas. Factor de multiplicación o ganancia,

M = \ frac {I_ {ph}} {I_ {pho}}

Dónde iph= fotocorriente APD multiplicada

            ipho= fotocorriente antes de la multiplicación

El valor M depende en gran medida de Polarización inversa y temperatura también.

Operación de fotodiodo de avalancha

Los APD funcionan en modo completamente agotado. Además del modo de avalancha lineal, los APD también pueden funcionar en Modo Geiger. En este modo de funcionamiento, el fotodiodo funciona a un voltaje por encima del voltaje de ruptura. Recientemente se ha introducido otro modo, que se llama modo Sub-Geiger. Aquí, junto con la sensibilidad de un solo fotón, la ganancia interna también es muy alta, justo por debajo del desglose.

Ionización por impacto en fotodiodos de avalancha 

Después de que los fotones se absorben en la capa \ beta, se forma un número suficiente de pares de huecos de electrones. El campo eléctrico separa los pares y los portadores de carga independientes corren hacia las regiones n + y p +. En la región p, los electrones experimentan un campo eléctrico masivo. En el efecto de este campo, los electrones se desplazan con su velocidad de saturación y chocan. Esta colisión ayuda a multiplicar la carga. Este fenómeno general se llama ionización de impacto.

Tasa de ionización, k = \ frac {\ alpha} {\ beta}

Dónde ⍺ = tasa de electrones

            ꞵ = tasa de agujeros  

Diagrama de fotodiodos de avalancha

Hoja de datos del fotodiodo de avalancha

FotodetectorLongitud de ondaReceptividadCorriente oscura
InGaAs APD1310 1550-nm0.8 A / W30 nA
APD de germanio1000 1500-nm0.7 A / W1000 nA

Módulo de fotodiodo de avalancha

Los APD son parte de módulos que contienen elementos electrónicos adicionales además del fotodiodo. Puede haber un amplificador operacional de impedancia trans en algunos paquetes que mejoran el rendimiento y aumentan el ancho de banda y la capacidad de respuesta. Algunos paquetes están optimizados para su uso en fibra óptica. Algunos incorporan termosensores para proporcionar una mejor estabilidad.

Matriz de fotodiodos de avalancha

Las matrices de fotodiodos de avalancha son de tamaño pequeño y también producen una ganancia de arrendamiento. Estos están diseñados especialmente para su uso en LIDAR, telémetros láser, etc. Aunque los arreglos APD aún no son productos convencionales, algunos fabricantes los fabrican debido a sus características únicas.

Ruido de fotodiodo de avalancha

Los componentes principales del ruido en APD son 

  • Ruido cuántico o de disparo (iQ): El proceso de avalancha es la razón principal detrás de esto. 
  • Ruido de corriente oscura: El ruido de corriente oscura se genera por la ausencia de luz en un fotodiodo. Además, se puede clasificar en ruido de corriente a granel (iDB) y ruido de corriente superficial (iDS).
  • Ruido térmico: Es el ruido del amplificador conectado al fotodiodo.

Debido a la multiplicación de portadoras, se agrega un ruido significativo a los ruidos existentes. Es conocido como exceso de factor de ruido or ENF.

ENF o F (M)= kM + \ left (2- \ frac {1} {M} \ right) \ left (1-k \ right)

Dónde M = factor de multiplicación

            k = coeficiente de ionización por impacto

Por lo tanto, el valor cuadrático medio del ruido total iN en APD es,

\ left \ langle i_ {N} ^ {2} \ right \ rangle = \ left \ langle i_ {Q} ^ {2} \ right \ rangle + \ left \ langle i_ {DB} ^ {2} \ right \ rangle + \ left \ langle i_ {DS} ^ {2} \ right \ rangle = 2q \ left (I_ {P} + I_ {D} \ right) BM ^ {2} F \ left (M \ right) + 2qI_ { L} B

Dónde 

q = carga de un electrón

Ip= fotocorriente

B = ancho de banda

M = factor de multiplicación

ID= corriente oscura a granel

IL= corriente de fuga superficial

El ruido térmico en el amplificador de impedancia trans es,

\ left \ langle i_ {T} ^ {2} \ right \ rangle = \ frac {4k_ {B} TB} {R_ {L}}

Dónde kB= Constante de Boltzmann

           T = temperatura absoluta

           RL= resistencia a la carga

Diferencia entre PIN y fotodiodo de avalancha | Fotodiodo de avalancha frente a fotodiodo PIN

Fotodiodo de avalanchaparámetrosFotodiodo PIN
Cuatro capas: P +, I, P, N +capasTres capas: P +, I, N +
Muy altoTiempo de respuestaMuy menos
Valor bajo de corrienteCorriente de salidaLa multiplicación de portadora provoca un valor de corriente amplificado
La ganancia puede ser tan alta como 200Ganancia internaLa ganancia es insignificante
Altamente sensibleSensitivity Un poco menos sensible
Los amplificadores pueden mejorar el rendimiento, pero APD aún puede funcionar sin esto, ya que la ganancia ya está ahí.Amplificador No hay ganancia interna, por lo que el uso de amplificadores es obligatorio.
Mayor debido a la multiplicación de cargasruidoComparativamente menor que los APD
Extremadamente alto Voltaje de polarización inversaMínimo Depósito al hacer la reserva 
Gran Estabilidad de la temperaturaPobre

Amplificador de fotodiodo de avalancha

Al igual que los fotodiodos PIN, los APD también utilizan el amplificador de impedancia trans de cuatro canales para reducir el ruido, alta impedancia y bajo consumo de energía. Algunos amplificadores también ofrecen flexibilidad de temperatura y alta confiabilidad. Todas estas características hacen que el fotodiodo sea adecuado para su uso en receptores LIDAR.

Detector de fotodiodo de avalancha

Se prefieren los APD a los fotodiodos PIN en la detección de luz por su mayor sensibilidad. Como se da un voltaje relativamente alto, el número de portadores de carga crece en exceso y se aceleran por el efecto de campos eléctricos intensos. Se produce la colisión interna y se produce la multiplicación de cargas. Como resultado, el valor de la fotocorriente aumenta, lo que mejora el proceso general de fotodetección.

Fotodiodo de avalancha en comunicación por fibra óptica

En los sistemas de comunicación por fibra óptica, los APD suelen ser necesarios para la detección de señales débiles. Los circuitos deben optimizarse lo suficiente para detectar las señales débiles que mantienen un alto SNR (relación señal / ruido). Aquí,

SNR = \ frac {potencia \: de \: la \: fotocorriente} {potencia \: de \: fotodetector + potencia \: de \: amplificador \: ruido}

Para lograr una buena SNR, la eficiencia cuántica debe ser alta. Como este valor está casi cerca del valor máximo, se detecta la mayoría de las señales.

Comparación entre APD y PMT | Fotodiodo de avalancha vs tubo fotomultiplicador

Fotodiodo de avalanchaTubo fotomultiplicador 
Consta de cuatro capas con diferentes concentraciones de dopaje.Consiste en un fotocátodo, dinodos y un tubo de vidrio al vacío.
Utiliza el fenómeno de multiplicación de avalanchas para producir portadores de carga.Utiliza la técnica de absorción de fotones para la emisión de electrones en exceso.
Convierte fotones en electrones.Amplifica el número de electrones.
Los APD son muy sensibles.La sensibilidad de PMT es limitada.
El costo de los APD es menor que el de los PMT.Los PMT son los dispositivos más costosos.

APD y circuitos de extinción 

  1. Circuito de extinción pasivo: Este tipo de circuito usa una resistencia de carga, un elemento pasivo, para apagar el pulso de ruptura. Los fotoelectrones desencadenan la avalancha. Se pasa una gran corriente a través del circuito para evitar la escasez de electrones o huecos en la región de la avalancha, y el diodo permanece en estado conductor.
  1. Circuito de extinción activo: Mientras se recargan los diodos, la probabilidad de que otro fotoelectrón lo golpee es muy baja. Para minimizar el tiempo muerto, se realiza un "enfriamiento activo". El voltaje de polarización se cae temporalmente y este retraso permite la recolección de todos los electrones y huecos. Cuando vuelve a aumentar el voltaje, no queda ningún electrón en la región de agotamiento.

Fotodiodo de avalancha InGaAs

InGaAs o arseniuro de galio indio se usa vívidamente en dispositivos semiconductores. Los fotodiodos de avalancha InGaAs se utilizan para lograr comunicaciones de fibra óptica de largo alcance. Estos pueden realizar una fotodetección en el rango de 1100-1700 nm. Los fotodiodos de avalancha de InGaAs son mejores que los fotodiodos de avalancha de germanio ordinarios en términos de SNR y sensibilidad.

Fotodiodo de avalancha de gran superficie

Los APD de área grande o LAAPD son fotodiodos livianos que poseen un área de activación grande. Sus características incluyen un tiempo de respuesta rápido, SNR mejorado, insensibilidad a los campos magnéticos, etc.

Ultravioleta,Fotodiodo de avalancha UV

Los fotodiodos de avalancha ultravioleta ofrecen una sensibilidad excepcional si se operan en modo Geiger. El APD UV de carburo de silicio muestra una alta ganancia de señal y una sensibilidad extrema. Los APD UV son ideales para la detección de llamas ultravioleta.

Fotodiodo de avalancha de silicio

Los APD con alto contenido de silicio son excelentes para la detección de poca luz. La multiplicación interna presenta una gran fotosensibilidad que la hace capaz de detectar señales de poca luz. También tiene una linealidad mejorada, una capacitancia terminal baja y un coeficiente de baja temperatura. Algunas aplicaciones de los fotodiodos de avalancha de Si son telémetros ópticos, radares láser, FSO, etc. 

Matriz de fotodiodos de avalancha de silicio

En los APD de silicio de elementos múltiples, la región de agotamiento se fabrica justo debajo del área fotosensible. Debido a esto, la matriz APD multiplica la luz incidente. Los portadores de carga atacaron en la región de agotamiento. Esto implica que las matrices de fotodiodos de avalancha de Si tienen una diafonía baja debido a la ganancia.

Fotodiodo de avalancha en modo Geiger

Los fotodiodos de avalancha en modo Geiger se desarrollan para proporcionar una alternativa a los tubos fotomultiplicadores. Los GAPD utilizan el principio de recuento de fotones únicos a un voltaje un poco mayor que el voltaje de ruptura del umbral. A este voltaje, incluso un solo par electrón-hueco es capaz de desencadenar una fuerte avalancha. En esta situación, los circuitos de extinción reducen el voltaje en una fracción de segundo. Esto detiene la avalancha por el momento y es posible la fotodetección.

Técnicas de conteo de fotones con fotodiodos de avalancha de silicio

A lo largo de los años, se están utilizando dos tipos de técnicas de conteo de fotones en los fotodiodos de avalancha. 

  • Modo Geiger
  • ‌Modo sub-geiger

Los estudios sugieren que el modo Geiger mejora el rendimiento de manera excelente para el uso de circuitos de extinción.

Fotodiodo de avalancha de fotón único | Fotodiodo de avalancha de conteo de fotones individuales

Estos también se denominan SAPD. Los SAPD son altamente fotosensibles y optimizados para alta frecuencia cuántica. Algunas de sus aplicaciones incluyen un sensor de imagen, imagen 3D, criptografía cuántica, etc.

Ventajas y desventajas del fotodiodo de avalancha

Ventajas del fotodiodo de avalancha

  • ‌Puede detectar luz de baja intensidad.
  • ‌La sensibilidad es alta.
  • ‌ El tiempo de respuesta es más rápido.
  • ‌ Un solo fotón puede generar una gran cantidad de pares de electrones y huecos.

Desventajas del fotodiodo de avalancha

  • ‌Se requiere un alto voltaje de funcionamiento.
  • ‌Exceso de ruido debido a la multiplicación de portadoras.
  • ‌La salida no es lineal.

Aplicación del fotodiodo de avalancha

  • Escáner LASER.
  • lector de código de barras.
  • Telémetros láser.
  • ‌Pistola de velocidad.
  • ‌ Microscopía láser.
  • ‌Escáner PET.
  • antena Puente analizador.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es el tiempo de respuesta del fotodiodo de avalancha?

El tiempo medio de respuesta de los diferentes fotodiodos de avalancha puede oscilar entre 30 ps y 2 ms.

¿Qué sucede cuando envías demasiada luz a un fotodiodo de avalancha (APD)?

Demasiada exposición a la luz sobrecalienta el diodo y puede dañar el dispositivo.

¿Cómo funciona un fotodiodo de avalancha?

Fotodiodo de avalancha utiliza el voltaje de ruptura de avalancha para multiplicar los portadores de carga y aumentar la corriente.

¿Cuál es la diferencia entre el fotodiodo PIN y el fotodiodo de avalancha?

Los fotodiodos de avalancha tienen cuatro capas y los fotodiodos PIN tienen tres capas. Además, a diferencia de los fotodiodos PIN, los APD tienen una gran ganancia interna y fotosensibilidad debido a la multiplicación de carga.

¿Cuáles son los inconvenientes del fotodiodo de avalancha?

Los APD son susceptibles a un ruido elevado debido a la ionización por impacto y la salida no es lineal. Se han discutido otras limitaciones en la sección “Desventajas de los fotodiodos de avalancha”.

¿Cuál es la principal ventaja de un fotodiodo de avalancha?

La principal ventaja del fotodiodo de avalancha es su sensibilidad y capacidad para detectar señales de poca luz.

¿Cuál es el efecto de la temperatura sobre la ganancia de avalancha?

La ganancia varía linealmente con la temperatura, ya que el voltaje de ruptura inversa tiene una relación lineal con la temperatura.

¿Por qué aumenta la degradación por avalancha con la temperatura?

Un aumento de temperatura aumenta la vibración de los átomos y disminuye el camino libre medio. Dado que el camino se vuelve más pequeño, los portadores de carga necesitan más energía para viajar. Por lo tanto, es necesario aumentar la tensión de ruptura.

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Sobre Kaushikee Banerjee

Soy un entusiasta de la electrónica y actualmente me dedico al campo de la Electrónica y las Comunicaciones. Mi interés radica en explorar las tecnologías de vanguardia. Soy un aprendiz entusiasta y jugueteo con la electrónica de código abierto.
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