O que é Fotodiodo Avalanche? | Seus 5+ usos e características importantes

Definição de fotodiodo de avalanche

Fotodiodos de avalanche ou APDs são dispositivos semicondutores altamente sensíveis que transformam sinais ópticos em sinais elétricos. Eles são operados sob alta polarização reversa. O termo 'avalanche' vem do fenômeno de quebra de avalanche.

Símbolo de fotodiodo de avalanche

O símbolo do fotodiodo de avalanche é o mesmo do diodo Zener.

Estrutura do fotodiodo de avalanche

A estrutura do fotodiodo Avalanche comum é semelhante ao fotodiodo PIN. Consiste em duas regiões fortemente dopadas (região p + e n +) e duas regiões levemente dopadas (região I ou região intrínseca e região P). A largura da camada de depleção na região intrínseca é relativamente mais fina no APD do que no fotodiodo PIN. A região p + atua como o ânodo e n + atua como o cátodo. A polarização reversa é aplicada principalmente na região pn +.

Diagrama de Circuito de Fotodiodo Avalanche

Para aplicar condições de polarização reversa, a região p + é conectada ao terminal negativo e a região n + é conectada ao terminal positivo da bateria.

Princípio de funcionamento do fotodiodo Avalanche

• A avalanche ocorre quando o diodo está sujeito a alta tensão reversa.
• A tensão de polarização reversa aumenta o campo elétrico através da camada de depleção.
• A luz incidente entra na região p + e ainda é absorvida na região p altamente resistiva. Aqui, pares de elétrons-lacunas são produzidos.
• Um campo elétrico comparativamente mais fraco causa separação entre esses pares. Elétrons e buracos derivam com sua velocidade de saturação em direção à região pn + onde existe um alto campo elétrico.
• Como a velocidade é máxima, os portadores colidem com outros átomos e geram novos pares elétron-buraco. Um grande número de pares eh resulta em alta fotocorrente.

Características do fotodiodo de avalanche

• A região intrínseca no APD é levemente dopada do tipo p. Também é chamado ?-região.
• A região n + é a mais fina e é iluminada por uma janela.
• O campo elétrico é máximo na junção pn + e então começa a diminuir na região p. Sua intensidade diminui na região? E desaparece gradualmente no final da camada p +.
• Mesmo um único fóton absorvido leva à geração de um grande número de pares de elétron-buraco. Isso é chamado de processo de ganho interno.
• O excesso de geração de par elétron-buraco devido à colisão de portadores de carga é chamado multiplicação de avalanche. Fator de multiplicação ou ganho,

M=eu_ph/I_pho

Onde i_ph= fotocorrente APD multiplicado

            i_pho= fotocorrente antes da multiplicação

O valor M depende fortemente de polarização inversa e temperatura também.

Operação de fotodiodo de avalanche

APDs são operados no modo completamente esgotado. Além do modo de avalanche linear, os APDs também podem trabalhar no Modo Geiger. Neste modo de operação, o fotodiodo é operado em uma tensão acima da tensão de ruptura. Recentemente, outro modo foi introduzido, denominado modo Sub-Geiger. Aqui, junto com a sensibilidade de fóton único, o ganho interno também é muito alto, logo abaixo da quebra.

Ionização de impacto em fotodiodos de avalanche 

Depois que os fótons são absorvidos na camada?, Um número suficiente de pares de elétron-buraco é formado. O campo elétrico separa os pares, e os portadores de carga independentes correm em direção às regiões n + e p +. Na região p, os elétrons experimentam um campo elétrico massivo. No efeito desse campo, os elétrons derivam com sua velocidade de saturação e colidem. Esta colisão ajuda na multiplicação de carga. Este fenômeno geral é chamado ionização de impacto.

Taxa de ionização,k=α/β

Onde ⍺ = taxa de elétrons

            ꞵ = taxa de furos  

Diagrama de fotodiodo de avalanche

Folha de dados do fotodiodo de avalanche

Fotodetector	Wavelength	Responsividade	Corrente Escura
InGaAs APD	1310 1550-nm	0.8 A / W	30 nA
APD de germânio	1000 1500-nm	0.7 A / W	1000 nA

Módulo de Fotodiodo Avalanche

Os APDs são parte de módulos que contêm elementos eletrônicos adicionais além do fotodiodo. Pode haver um amplificador operacional de transimpedância em alguns pacotes que melhoram o desempenho e aumentam a largura de banda e a capacidade de resposta. Alguns pacotes são otimizados para uso em fibra óptica. Alguns incorporam termossensores para fornecer melhor estabilidade.

Matriz de fotodiodo de avalanche

Os arranjos de fotodiodo Avalanche são pequenos em tamanho e também geram ganho de arrendamento. Eles são projetados especialmente para uso em LIDAR, telêmetros a laser, etc. Embora os arrays APD ainda não sejam produtos convencionais, alguns fabricantes os estão fazendo devido aos seus recursos exclusivos.

Ruído de fotodiodo de avalanche

Os principais componentes do ruído no APD são 

• Ruído quântico ou tiro (i_Q): O processo de avalanche é a principal razão por trás disso. 
• Ruído de corrente escura: O ruído da corrente escura é gerado pela ausência de luz em um fotodiodo. Pode ainda ser classificado em ruído de corrente em massa (i_DB) e ruído de corrente de superfície (i_DS).
• Ruído térmico: É o ruído do amplificador conectado ao fotodiodo.

Devido à multiplicação da portadora, ruído significativo é adicionado aos ruídos existentes. É conhecido como excesso de fator de ruído or ENF.

ENF ou F (M)= km + (2-1/M)(1-k)

Onde M = fator de multiplicação

            k = coeficiente de ionização de impacto

Portanto, o valor médio quadrático do ruído total i_N no APD é,

Onde 

q = carga de um elétron

I_p= fotocorrente

B = largura de banda

M = fator de multiplicação

I_D= corrente escura em massa

I_L= corrente de fuga de superfície

O ruído térmico no amplificador de transimpedância é,

Onde k_B= Constante de Boltzmann

           T = temperatura absoluta

           R_L= resistência à carga

Diferença entre PIN e fotodiodo de avalanche | Fotodiodo Avalanche vs. Fotodiodo PIN

Amplificador de fotodiodo Avalanche

Como os fotodiodos PIN, os APDs também usam o amplificador de transimpedância de quatro canais para reduzir o ruído, alta impedância e baixo consumo de energia. Alguns amplificadores oferecem flexibilidade de temperatura e alta confiabilidade também. Todas essas características tornam o fotodiodo adequado para uso em receptores LIDAR.

Detector de fotodiodo avalanche

Os APDs são preferidos aos fotodiodos PIN na detecção de luz por sua maior sensibilidade. À medida que uma tensão relativamente alta é fornecida, o número de portadores de carga aumenta e eles são acelerados pelo efeito de campos elétricos fortes. A colisão interna ocorre e a multiplicação de carga ocorre. Como resultado, o valor da fotocorrente aumenta, o que melhora o processo geral de fotodetecção.

Fotodiodo Avalanche em comunicação de fibra óptica

Em sistemas de comunicação de fibra óptica, os APDs geralmente são necessários para a detecção de sinais fracos. Os circuitos devem ser otimizados o suficiente para detectar os sinais fracos, mantendo um alto SNR (relação sinal-ruído). Aqui,

SNR=(potência da fotocorrente/potência do fotodetector) + potência do ruído do amplificador

Para obter um bom SNR, a eficiência quântica deve ser alta. Como este valor está próximo do valor máximo, a maioria dos sinais são detectados.

Comparação entre APD e PMT | Avalanche Photodiode vs tubo fotomultiplicador

Fotodiodo de avalanche	Tubo Fotomultiplicador
Consiste em quatro camadas com diferentes concentrações de dopagem.	Consiste em um fotocátodo, dínodos e um tubo de vidro a vácuo.
Ele usa o fenômeno da multiplicação de avalanches para produzir portadores de carga.	Ele usa a técnica de absorção de fótons para a emissão de elétrons em excesso.
Ele converte fótons em elétrons.	Amplifica o número de elétrons.
APDs são altamente sensíveis.	A sensibilidade do PMT é limitada.
O custo dos APDs é inferior ao dos PMTs.	PMTs são os dispositivos mais caros.

APDs e circuitos de têmpera 

1. Circuito de têmpera passiva: Este tipo de circuito usa um resistor de carga, um elemento passivo, para extinguir o pulso de ruptura. Fotoelétrons desencadeiam a avalanche. Uma grande corrente é passada pelo circuito para evitar a escassez de elétrons ou lacunas na região da avalanche, e o diodo permanece no estado de condução.

2. Extinção ativa circuito: Enquanto os diodos são recarregados, a probabilidade de outro fotoelétron atingi-lo é muito baixa. Para minimizar o tempo morto, é feito um 'quenching ativo'. A tensão de polarização é temporariamente reduzida e esse atraso permite a coleta de todos os elétrons e lacunas. Quando novamente a voltagem é aumentada, nenhum elétron permanece na região de depleção.

Fotodiodo InGaAs Avalanche

InGaAs ou Arsenieto de Gálio e Índio é vividamente usado em dispositivos semicondutores. Os fotodiodos de avalanche InGaAs são usados ​​para alcançar comunicações de fibra óptica de longo alcance. Eles podem realizar fotodetecção na faixa de 1100-1700 nm. Os fotodiodos de avalanche de InGaAs são melhores do que os fotodiodos de avalanche de germânio comuns em termos de SNR e sensibilidade.

Fotodiodo de avalanche de grande área

APDs ou LAAPDs de grandes áreas são fotodiodos leves que possuem uma grande área de ativação. Seus recursos incluem tempo de resposta rápido, SNR aprimorado, insensibilidade a campos magnéticos, etc.

Ultravioleta-Fotodiodo UV Avalanche

Os fotodiodos de avalanche ultravioleta oferecem excelente sensibilidade se operados no modo Geiger. O carboneto de silício UV APD mostra um alto ganho de sinal e extrema sensibilidade. Os APDs UV são ideais para detecção de chama ultravioleta.

Fotodiodo de avalanche de silício

APDs com alto teor de silício são ótimos para detecção de pouca luz. A multiplicação interna apresenta grande fotossensibilidade que o torna capaz de detectar sinais de pouca luz. Ele também melhorou a linearidade, a baixa capacitância do terminal e o coeficiente de baixa temperatura. Algumas aplicações dos fotodiodos de avalanche de Si são telêmetros ópticos, radares a laser, FSO, etc. 

Matriz de fotodiodos Silicon Avalanche

Em APDs de silício de vários elementos, a região de depleção é fabricada logo abaixo da área fotossensível. Devido a isso, a matriz APD multiplica a luz incidente. Os portadores de carga atacaram na região de esgotamento. Isso implica que as matrizes de foto diodos de avalanche de Si têm baixa diafonia por causa do ganho.

Fotodiodo de avalanche modo Geiger

Os fotodiodos de avalanche no modo Geiger foram desenvolvidos para fornecer uma alternativa aos tubos fotomultiplicadores. Os GAPDs usam o princípio de contagem de fóton único em uma voltagem pouco maior do que a voltagem de ruptura do limiar. Nessa voltagem, mesmo um único par elétron-buraco é capaz de desencadear uma forte avalanche. Nesta situação, os circuitos de extinção reduzem a tensão em uma fração de segundo. Isso interrompe a avalanche por enquanto, e a detecção de fotos é possível.

Técnicas de contagem de fótons com fotodiodos de avalanche de silício

Ao longo dos anos, dois tipos de técnicas de contagem de fótons estão sendo usados ​​em fotodiodos de avalanche. 

• ‌Modo Geiger
• ‌ Modo Sub-Geiger

Estudos sugerem que o modo Geiger melhora o desempenho de forma excelente para o uso de circuitos de têmpera.

Fotodiodo de avalanche de fóton único | Fotodiodo de avalanche de contagem de fóton único

Eles também são chamados de SAPD. SAPDs são altamente fotossensíveis e otimizados para alta frequência quântica. Alguns de seus aplicativos incluem um sensor de imagem, imagem 3D, criptografia quântica, etc.

Vantagens e desvantagens do fotodiodo Avalanche

Vantagens do Fotodiodo Avalanche

• ‌ Pode detectar luz de baixa intensidade.
• ‌A sensibilidade é alta.
• ‌O tempo de resposta é mais rápido.
• ‌ Um único fóton pode gerar um grande número de pares elétron-buraco.

Desvantagens do Fotodiodo Avalanche

• ‌ É necessária alta tensão de operação.
• ‌ Excesso de ruído devido à multiplicação da portadora.
• ‌ A saída não é linear.

Aplicação do Fotodiodo Avalanche

• Scanner LASER.
• leitor de código de barras.
• Telêmetros ‌laser.
• ‌ Pistola de velocidade.
• ‌ Microscopia a laser.
• ‌ Scanner PET.
• antena Ponte Analisador.

Perguntas Frequentes:

Qual é o tempo de resposta do fotodiodo de avalanche?

O tempo médio de resposta de diferentes foto diodos de avalanche pode variar de 30 ps a 2 ms.

O que acontece quando você envia muita luz para um fotodiodo de avalanche (APD)?

A exposição excessiva à luz superaquece o diodo e pode danificar o dispositivo.

Como funciona um fotodiodo de avalanche?

Fotodiodo de avalanche utiliza a tensão de ruptura da avalanche para multiplicar os portadores de carga e aumentar a corrente.

Qual é a diferença entre fotodiodo PIN e fotodiodo de avalanche?

Os fotodiodos de avalanche têm quatro camadas e os fotodiodos de PIN têm três camadas. Além disso, ao contrário dos diodos de foto PIN, os APDs têm alto ganho interno e fotossensibilidade devido à multiplicação de carga.

Quais são as desvantagens do foto diodo de avalanche?

Os APDs são suscetíveis a alto ruído devido à ionização de impacto e a saída não é linear. Outras limitações foram discutidas na seção “desvantagens dos fotodiodos Avalanche”.

Qual é a principal vantagem de um fotodiodo de avalanche?

A principal vantagem do foto-diodo de avalanche é sua sensibilidade e capacidade de detectar sinais de pouca luz.

Qual é o efeito da temperatura no ganho de avalanche?

O ganho varia linearmente com a temperatura, pois a tensão de ruptura reversa tem uma relação linear com a temperatura.

Por que a quebra de avalanche aumenta com a temperatura?

Um aumento na temperatura aumenta a vibração dos átomos e diminui o caminho livre médio. Como o caminho se torna menor, os portadores de carga precisam de mais energia para viajar. Portanto, a tensão de ruptura precisa ser aumentada.

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