Кіріспе

Жоғары сезімтал жартылай өткізгіш электрондық құрылғы. Аваланч фотодиоды (APD) – фотодиодтың жоғары сезімтал түрі, ол жарықты электр энергиясына айналдыру үшін фотоэлектрлік эффектіні пайдаланатын жартылай өткізгіш диодтардың бірі. Аваланч фотодиодтары фотоэлектрлік эффектісінен туындаған заряд тасымалдаушыларын лавиналық құлау арқылы көбейту үшін жоғары кері бұрылыспен, кері құлау кернеуіне жақындап жұмыс істеуге бейімделген материалдар мен құрылымды қолданады; осылайша, олар өте аз мөлшердегі жарықты анықтау үшін қолданылады. Функционалдық тұрғыдан алғанда, оларды фотокөбейткіштердің жартылай өткізгіш аналогы деп қарастыруға болады; күн батареяларынан айырмашылығы, олар жарықтан электр энергиясын өндіруге емес, кіріс фотондарының болуын анықтауға бағытталған. Аваланч фотодиодтарының кең таралған қолданыс аймақтары – лазерлік қашықтық өлшегіштер, ұзақ қашықтықтағы талшықты-оптикалық байланыс, позитрон-эмиссиялық томография және бөлшектер физикасы.

Тарих

Аваланшалық фотодиодты жапондық инженер Джун Ичи Нишизава 1952 жылы ойлап тапты. Дегенмен, қар көшкіні тәріздес құлауды зерттеу, кремний мен германийдегі микроплазмалық ақаулар және p-n тораптарын қолданып оптикалық сигналды анықтау осы патентке дейін жүргізілген.

Гейгер режімінде санау

Егер өте жоғары күшейту қажет болса (105-106), АБҚ-ға (лавиналық фотодиодтарға) қатысты SPAD (бір фотондық лавиналық диодтар) деп аталатын детекторларды қолдануға болады және оларды әдеттегі АБҚ-ның жұлыну кернеуінен жоғары кері кернеумен жұмыс істетуге болады. Бұл жағдайда фотодетектордың сигнал тогы шектелуі және жылдам азайтылуы керек. Осы мақсатта белсенді және пассивті токпен сөндіру техникалары қолданылған. Осы жоғары күшейту режимінде жұмыс істейтін SPAD кейде Гейгер режимінде жұмыс істейді деп айтылады. Бұл режим, егер қараңғы санау оқиғаларының жиілігі және қайта импульстің ықтималдығы жеткілікті деңгейде төмен болса, бір фотонды анықтау үшін ерекше пайдалы.

Құрылымы

APD-лер көбінесе қарапайым p-n тораптары ретінде құрылмайды, бірақ p+ i p n+ сияқты күрделі конструкцияларға ие болады.

Жүгірту шегі

АБҚ қолдану және пайдалылығы көптеген параметрлерге байланысты. Екі маңызды фактор: кванттық тиімділік, ол түсетін оптикалық фотондардың қаншалықты жақсы сіңірілетінін және одан кейін бастапқы заряд тасымалдаушыларын жасау үшін қолданылатынын көрсетеді; және жалпы ағып кету тогы, ол қараңғы ток, фототок және шудың жиынтығы. Электрондық қара шу компоненттері – қатарлы және параллельді шу. Қатарлы шу, ату шуының әсері болып табылады, негізінен АБҚ сыйымдылығына пропорционалды, ал параллельді шу АБҚ-ның көлемдік және беттік қара тоқтарының құбылуларымен байланысты.

Көбейтінді шу, артық шу коэффициенті

Тағы бір шу көзі – артық шу коэффициенті, ENF. Бұл – көбейту процесінен туындайтын статистикалық шудың, әсіресе Пуассон шуының артуын сипаттайтын шуға қолданылатын көбейтінді түзету. ENF фотокөбейтуші түтіктер, кремнийлі жазық фотокөбейтушілер және APD сияқты сигналды күшейтетін кез келген құрылғы үшін анықталады және кейде "күшейту шуы" деп те аталады. Күшейту M болғанда, ол ENF(M) арқылы белгіленеді және көбінесе былай өрнектеледі:

мұндағы – тесіктердің соққымен иондану жылдамдығының электрондардың соққымен иондану жылдамдығына қатынасы. Электронды күшейту құрылғысы үшін ол тесіктердің соққымен иондану жылдамдығын электрондардың соққымен иондану жылдамдығына бөлгенге тең. ENF(M) ең төменгі деңгейге дейін азайту үшін осы жылдамдықтар арасында үлкен асимметрия болуы қажет, себебі ENF(M) – ең жақсы энергиялық ажыратымдылықты шектейтін негізгі факторлардың бірі.

Конверсия шуы, Фану коэффициенті

АПД-ның шу термині Фано коэффициентін де қамтуы мүмкін, ол зарядталған бөлшектің энергиясын электрон-тесік жұптарына түрлендірумен байланысты Пуассон шуына қолданылатын көбейту түзеуі болып табылады – бұл көбейтуден бұрынғы сигнал. Түзеу коэффициенті түрлену процесінің біртектілігі және түрлену процесіндегі ванналық күйлердің болмауы немесе олармен әлсіз байланысы салдарынан Пуассон статистикасына қарағанда шудың төмендеуін сипаттайды. Яғни, "идеалды" жартылай өткізгіш зарядталған бөлшектің энергиясын энергияны сақтау үшін электрон-тесік жұптарының дәл және қайталанатын санына айналдырар еді; бірақ шындығында, зарядталған бөлшектің энергиясы электрон-тесік жұптарын жасауға, дыбыс тудыруға, жылу шығаруға және зақымдануға немесе орын ауыстыруға бөлінеді. Осы қосымша арналардың болуы кез келген процеске жұмсалған энергия мөлшерінің оқиғадан оқиғаға өзгеретін, тіпті салынған энергия мөлшері бірдей болса да, стохастикалық процесті тудырады.

Қосымша әсерлері

Ашықтық шу факторымен (артық шу) және Fano факторымен (айналдыру шуы) байланысты жатқан физикалық негіздер мүлдем әртүрлі. Дегенмен, бұл факторларды күтілетін Пуассон шуына көбейту арқылы түзету ретінде қолдану әдісі ұқсас. Артық шудан басқа, құрылғының сыйымдылығы, транзит уақыты және лавиналық көбейту уақытымен байланысты құрылғының жұмысына қатысты шектеулер де бар. Сыйымдылық құрылғының ауданы ұлғайғанда және қалыңдығы азайғанда артады. Транзит уақыты (электрондар және тесіктер үшін) қалыңдық артқан сайын ұзарады, бұл жұмыстың нәтижелілігі үшін сыйымдылық пен транзит уақыты арасындағы қақтығысты білдіреді. Лавиналық көбейту уақытының күшейтуге көбейтілген мәні бірінші реттік жуықтау бойынша күшейту еністігінің көбейтіндісімен беріледі, ол құрылғының құрылымының және ең бастысы, оның .