Введение

Высокочувствительное полупроводниковое электронное устройство.

Лавинный фотодиод (APD) – это высокочувствительный тип фотодиода, представляющий собой, как правило, полупроводниковый диод, использующий фотоэлектрический эффект для преобразования света в электричество. В лавинных фотодиодах используются материалы и конструкция, оптимизированные для работы при высоком обратном смещении, близком к напряжению обратного пробоя, в результате чего носители заряда, генерируемые фотоэлектрическим эффектом, умножаются за счет лавинного пробоя. Это позволяет использовать их для обнаружения даже небольших количеств света. С функциональной точки зрения, они являются полупроводниковым аналогом фотоумножительных трубок; в отличие от солнечных элементов, они оптимизированы не для выработки электроэнергии из света, а для регистрации входящих фотонов. Типичные области применения лавинных фотодиодов включают лазерные дальномеры, волоконно-оптическую связь на большие расстояния, позитронно-эмиссионную томографию и физику частиц.

История

Фотодиод лавинного типа был изобретен японским инженером Джун Ити Нисизава в 1952 году. Однако изучение лавинного пробоя, микроплазменных дефектов в кремнии и германии, а также исследование оптического детектирования с использованием p-n переходов предшествовали этому патенту.

Подсчет в режиме Гейгера

Если требуется очень высокий коэффициент усиления (10⁵–10⁶), можно использовать детекторы, основанные на АПД, называемые SPAD (однофотонные лавинные диоды), и эксплуатировать их при обратном напряжении, превышающем напряжение пробоя типичного АПД. В этом случае необходимо ограничивать и быстро подавлять сигнал тока фотодетектора. Для этого применяются методы активного и пассивного гашения тока. SPAD, работающие в таком режиме высокого усиления, иногда называют работающими в режиме Гейгера. Этот режим особенно полезен для регистрации одиночных фотонов, при условии, что частота событий темнового счета и вероятность появления последующих импульсов достаточно малы.

Структура

АПД часто не изготавливаются в виде простых p-n переходов, а имеют более сложные конструкции, такие как p+ i p n+.

Пределы производительности

Применимость и полезность APD зависит от множества параметров. Два из наиболее значимых факторов: квантовая эффективность, которая показывает, насколько эффективно падающие оптические фотоны поглощаются и преобразуются в первичные носители заряда; и общий ток утечки, являющийся суммой темного тока, фототока и шума. Электронные компоненты темного шума – последовательный и параллельный шум. Последовательный шум, обусловленный шумом выстрела, в основном пропорционален емкости APD, а параллельный шум связан с флуктуациями объемного и поверхностного темного тока APD.

Увеличение шума, избыточный фактор шума

Другим источником шума является избыточный фактор шума (ENF). Это мультипликативная коррекция, применяемая к шуму, описывающая увеличение статистического шума, в частности, пуассоновского шума, из-за процесса умножения. ENF определяется для любого устройства, такого как фотоумножители, кремниевые твердотельные фотоумножители и APD, которое умножает сигнал, и иногда называется "шумом, связанным с усилением". При усилении M он обозначается как ENF(M) и часто может быть выражен следующим образом:

где – это отношение скорости ионизации дырок к скорости ионизации электронов. Для прибора умножения электронов это определяется как скорость ионизации дырок, деленная на скорость ионизации электронов. Желательно иметь большую асимметрию между этими скоростями, чтобы минимизировать ENF(M), поскольку ENF(M) является одним из основных факторов, ограничивающих, в частности, наилучшее достижимое энергетическое разрешение.

Шум преобразования, коэффициент Fano

Термин "шум" для APD может также включать фактор Фано, являющийся мультипликативной коррекцией, применяемой к пуассоновскому шуму, связанному с преобразованием энергии, переданной заряженной частицей, в электронно-дырочные пары – сигнал до умножения. Коэффициент коррекции описывает уменьшение шума по сравнению с пуассоновской статистикой, обусловленное однородностью процесса преобразования и отсутствием или слабой связью с состояниями ванны в этом процессе. Иными словами, "идеальный" полупроводник преобразует энергию заряженной частицы в точное и воспроизводимое количество электронно-дырочных пар для сохранения энергии. Однако на практике энергия, переданная заряженной частицей, распределяется между генерацией электронно-дырочных пар, генерацией звука, генерацией тепла и генерацией повреждений или смещений. Наличие этих дополнительных каналов вносит стохастический характер: количество энергии, переходящей в каждый отдельный процесс, изменяется от события к событию, даже если общая переданная энергия одинакова.

Дальнейшие влияния

Физические основы, лежащие в основе фактора избыточного шума (шума усиления) и фактора Фано (шума преобразования), существенно различаются. Однако применение этих факторов в качестве мультипликативных поправок к ожидаемому пуассоновскому шуму аналогично. Помимо избыточного шума, существуют ограничения производительности прибора, связанные с емкостью, временем пролета и временем лавинного умножения. Емкость увеличивается с ростом площади прибора и уменьшением толщины. Время пролета (как электронов, так и дырок) увеличивается с увеличением толщины, что подразумевает компромисс между емкостью и временем пролета для достижения оптимальной производительности. Время лавинного умножения, умноженное на усиление, в первом приближении определяется произведением усиления на полосу пропускания, которое является функцией структуры прибора и, прежде всего, .