Ano ang Avalanche Photodiode? | Ang 5+ Mahalagang paggamit at katangian

Ano ang Avalanche Photodiode? | Ang 5+ Mahalagang paggamit at katangian

Avalanche Photodiode

Kredito sa imahe: "File: Avalanche photodiode.JPG" by Radovan Blažek ay lisensyado sa ilalim CC BY-SA 3.0

Paksa ng Pagtalakay: Avalanche Photodiode

Kahulugan ng Avalanche Photodiode

Ang mga avalanche photodiode o APDs ay lubos na sensitibo sa mga aparatong semiconductor na nagbabago ng mga optical signal sa mga de-koryenteng signal. Pinapatakbo ang mga ito sa ilalim ng mataas na bias ng bias. Ang salitang 'avalanche' ay nagmula sa kababalaghan ng pagkasira ng avalanche.

Simbolo ng Avalanche Photodiode

Avalanche Photodiode

Ang simbolo ng avalanche photodiode ay kapareho ng sa Zener diode.

Istraktura ng Avalanche Photodiode

Istraktura ng APD

Ang istraktura ng ordinaryong Avalanche photodiode ay katulad ng PIN photodiode. Ito ay binubuo ng dalawang mabigat na doped (p + at n + rehiyon) at dalawang gaanong naka-dop (I o intrinsic na rehiyon at rehiyon ng P). Ang lapad ng layer ng pag-ubos sa intrinsic na rehiyon ay medyo payat sa APD kaysa sa PIN photodiode. Ang rehiyon ng p + ay kumikilos tulad ng anode, at ang n + ay gumaganap tulad ng katod. Ang reverse bias ay kadalasang inilalapat sa buong rehiyon ng pn +.

Avalanche photodiode Circuit Diagram

APD circuit diagram
"File: APD3 German.png" by Kirnehkrib ay lisensyado sa ilalim CC BY-SA 3.0

Para sa paglalapat ng mga kundisyong reverse bias, ang rehiyon na p + ay konektado sa negatibong terminal, at ang rehiyon na n + ay konektado sa positibong terminal ng baterya.

Prinsipyo ng pagtatrabaho ng avalanche photodiode

Gumagana ang APD
"File: APD2 German.png" by Kirnehkrib ay lisensyado sa ilalim CC BY-SA 3.0
  • Ang pagkasira ng avalanche ay nagaganap kapag ang diode ay napailalim sa mataas na boltahe ng reverse.
  • Ang reverse boltahe ng bias ay nagdaragdag ng electric field sa buong layer ng pagkaubos.
  • Ang ilaw ng insidente ay pumapasok sa rehiyon ng p + at higit na nasisipsip sa rehiyon ng lubos na resistive. Dito nagagawa ang mga pares ng butas na elektron.
  • Ang isang medyo mahina na electric field ay nagiging sanhi ng paghihiwalay sa pagitan ng mga pares na ito. Ang mga electron at hole ay naaanod kasama ang kanilang bilis ng saturation patungo sa rehiyon ng pn + kung saan mayroong isang mataas na larangan ng elektrisidad.
  • Dahil ang bilis ay maximum, ang mga carrier ay nakabangga sa iba pang mga atomo at bumuo ng mga bagong pares ng hole na electron. Ang isang malaking bilang ng mga pares eh nagreresulta sa mataas na photocurrent.

Mga Katangian ng Avalanche photodiode

  • Ang intrinsic na rehiyon sa APD ay bahagyang p-type na doped. Tinawag din yan ?-rehiyon.
  • Ang rehiyon ng n + ang pinakapayat, at ito ay naiilawan sa isang window.
  • Ang patlang ng kuryente ay maximum sa pn + junction, at pagkatapos ay magsisimula itong bumababa sa rehiyon ng p. Ang intensity nito ay bumababa sa? -Region at unti-unting nawawala sa dulo ng p + layer.
  • Kahit na ang isang solong photon na hinihigop ay humahantong sa pagbuo ng isang malawak na bilang ng mga pares ng hole na elektron. Ito ang tinawag na panloob na proseso ng pakinabang.
  • Ang labis na pagbuo ng pares ng butas na electron-hole dahil sa pagkakabangga ng mga carrier ng singil ay tinatawag pagdaragdag ng avalanche. Doble factor o pakinabang,

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

Saan iph= pinaraming APD photocurrent

            ipho= photocurrent bago ang pagpaparami

M na halaga ay lubos na nakasalalay sa reverse bias at temperatura din.

Pagpapatakbo ng Avalanche Photodiode

Ang mga APD ay pinamamahalaan sa ganap na naubos na mode. Bukod sa linear avalanche mode, ang mga APD ay maaari ring gumana sa Geiger mode. Sa mode na ito ng pagpapatakbo, ang photodiode ay pinapatakbo sa isang boltahe sa itaas ng boltahe ng pagkasira. Kamakailan lamang ay isa pang mode ang ipinakilala, na tinatawag na Sub-Geiger mode. Dito kasama ang solong-poton na pagka-sensitibo, ang panloob na pakinabang ay napakataas din, sa ibaba lamang ng pagkasira.

Impact ionization sa Avalanche Photodiodes 

Matapos makuha ang mga photon sa? -Layer, nabuo ang isang sapat na bilang ng mga pares ng hole na electron. Pinaghihiwalay ng patlang ng kuryente ang mga pares, at ang mga independiyenteng tagadala ng singil ay tumatakbo patungo sa mga rehiyon ng n + at p +. Sa rehiyon ng p, nakakaranas ang mga electron ng napakalaking electric field. Sa epekto ng patlang na ito, ang mga electron ay naaanod sa kanilang bilis ng saturation at nagbanggaan. Ang banggaan na ito ay tumutulong sa pagsingil ng pagpaparami. Ang pangkalahatang kababalaghan na ito ay tinatawag epekto ng ionization.

Rate ng ionisasyon, k = \ frac {\ alpha} {\ beta}

Saan ⍺ = rate ng mga electron

            ꞵ = rate ng mga butas  

Diagram ng Avalanche Photodiode

Datasheet ng Avalanche Photodiode

PhotodetectorWeyblengtResponsibilidadMadilim na Kasalukuyan
InGaAs APD1310-1550 nm0.8 A / W30 nA
Germanium APD1000-1500 nm0.7 A / W1000 nA

Avalanche Photodiode Module

Ang mga APD ay bahagi ng mga modyul na naglalaman ng mga karagdagang elektronikong elemento bukod sa photodiode. Maaaring magkaroon ng isang trans-impedance op-amp sa ilang mga pakete na nagpapabuti sa pagganap at nagdaragdag ng bandwidth at kakayahang tumugon. Ang ilang mga pakete ay na-optimize upang magamit sa optical fiber. Ang ilan ay nagsasama ng mga thermosensor upang makapagbigay ng mas mahusay na katatagan.

Avalanche Photodiode Array

Ang mga avalanche photodiode arrays ay maliit sa sukat at nagbubunga rin ng pakinabang sa pag-upa. Dinisenyo ito lalo na para magamit sa LIDAR, mga rangefinder ng laser, atbp. Bagaman ang mga array ng APD ay hindi pa pangunahing mga produkto, ang ilang mga tagagawa ay ginagawa ito dahil sa kanilang natatanging mga tampok.

Ingay ng Avalanche Photodiode

Ang pangunahing mga sangkap ng ingay sa APD ay 

  • Dumi ng tunog o pagbaril (iQ): Ang proseso ng avalanche ay ang pangunahing dahilan sa likod nito. 
  • Madilim na kasalukuyang ingay: Ang madilim na kasalukuyang ingay ay nabuo mula sa kawalan ng ilaw sa isang photodiode. Maaari pa itong maiuri sa maramihang kasalukuyang ingay (iDB) at ibabaw ng kasalukuyang ingay (iDS).
  • Thermal ingay: Ito ang ingay ng amplifier na konektado sa photodiode.

Dahil sa pagdaragdag ng carrier, ang makabuluhang ingay ay idinagdag sa mga mayroon nang ingay. Kilala ito bilang labis na kadahilanan ng ingay or ENF.

ENF o F (M)= kM + \ pakaliwa (2- \ frac {1} {M} \ kanan) \ kaliwa (1-k \ kanan)

Saan M = kadahilanan ng pagpaparami

            k = epekto ionization coefficient

Samakatuwid ang ibig sabihin ng parisukat na halaga ng kabuuang ingay iN sa APD ay,

\ 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} \ kanan) BM ^ {2} F \ left (M \ kanan) + 2qI_ { L} B

Saan 

q = singil ng isang electron

Ip= photocurrent

B = bandwidth

M = kadahilanan ng pagpaparami

ID= maramihan madilim na kasalukuyang

IL= kasalukuyang pagtulo sa ibabaw

Thermal ingay sa trans-impedance amplifier ay,

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

Saan kB= Boltzmann pare-pareho

           T = ganap na temperatura

           RL= paglaban sa pag-load

Pagkakaiba sa Pagitan ng PIN at Avalanche Photodiode | Avalanche Photodiode kumpara sa PIN Photodiode

Avalanche PhotodiodeparameterPIN Photodiode
Apat na layer- P +, I, P, N +LayerTatlong layer- P +, I, N +
NapakataasTugon orasSobrang konti
Mababang halaga ng kasalukuyangoutput kasalukuyangAng pagdaragdag ng carrier ay nagdudulot ng pinalakas na kasalukuyang halaga
Ang pagkakaroon ay maaaring maging kasing taas ng 200Panloob na pakinabangHindi gaanong mahalaga ang pakinabang
Lubos na sensitiboPagkamapagdamdam Bahagyang hindi gaanong sensitibo
Maaaring mapabuti ng mga amplifier ang pagganap, ngunit ang APD ay maaari pa ring gumana nang wala ito dahil ang nakuha ay nandiyan na.Amplifier Walang panloob na pakinabang doon, kaya't ang paggamit ng mga amplifier ay sapilitan.
Mas mataas dahil sa pagsingil ng pagpaparamiIngayComparatibong mas mababa kaysa sa APDs
Masyadong mataas Baliktarin ang boltahe ng BiasMababa 
Dakila Katatagan ng temperaturamahirap

Avalanche Photodiode Amplifier

Tulad ng mga photodiode ng PIN, gumagamit din ang mga APD ng apat na channel trans-impedance amplifier para sa pinababang ingay, mataas na impedance, at mababang paggamit ng kuryente. Ang ilang mga amplifier ay nag-aalok ng kakayahang umangkop sa temperatura at mataas din ang pagiging maaasahan. Ang lahat ng mga katangiang ito ay ginagawang angkop ang photodiode para magamit sa mga tagatanggap ng LIDAR.

Detektor ng Avalanche Photodiode

Mas gusto ang mga APD kaysa sa mga photodiode ng PIN sa light detection para sa kanilang nadagdagang pagiging sensitibo. Bilang isang medyo mataas na boltahe ay ibinibigay, ang bilang ng mga carrier ng pagsingil ay tumataas, at pinabilis ang mga ito sa epekto ng malakas na mga electric field. Nangyayari ang panloob na banggaan, at nagaganap ang pagdaragdag ng singil. Bilang isang resulta, tumataas ang halaga ng photocurrent, na nagpapabuti sa pangkalahatang proseso ng pagtuklas ng larawan.

Avalanche Photodiode sa komunikasyon ng optical fiber

Sa mga sistema ng komunikasyon ng optical fiber, ang mga APD ay karaniwang kinakailangan para sa pagtuklas ng mga mahinang signal. Ang sirkito ay dapat na sapat na na-optimize upang makita ang mahinang signal na pinapanatili ang isang mataas SNR (Signal to noise ratio). Dito,

SNR = \ frac {power \: from \: the \: photocurrent} {power \: of \: photodetector + power \: of \: amplifier \: ingay}

Para sa pagkamit ng isang mahusay na SNR, ang kahusayan sa kabuuan ay dapat na mataas. Dahil ang halagang ito ay halos malapit sa maximum na halaga, ang karamihan sa mga signal ay napansin.

Paghahambing sa pagitan ng APD at PMT | Avalanche Photodiode vs Photomultiplier tube

Avalanche PhotodiodeTube ng Photomultiplier 
Binubuo ito ng apat na layer na may iba't ibang mga konsentrasyon ng doping.Binubuo ito ng isang photocathode, dynode, at isang vacuum glass tube.
Gumagamit ito ng kababalaghan ng pagpaparami ng avalanche upang makagawa ng mga carrier ng singil.Gumagamit ito ng pamamaraan ng pagsipsip ng photon para sa pagpapalabas ng labis na mga electron.
Ginagawa nitong electron ang mga photon.Pinapalakas nito ang bilang ng mga electron.
Ang mga APD ay lubos na sensitibo.Limitado ang pagiging sensitibo ng PMT.
Ang gastos ng mga APD ay mas mababa kaysa sa mga PMT.Ang mga PMT ang pinakamahirap na aparato.

Mga APD at quenching circuit 

  1. Passive quenching circuit: Ang ganitong uri ng circuit ay gumagamit ng load resistor, isang passive element, upang mapatay ang breakdown pulse. Ang mga photoelectron ay nagpapalitaw ng avalanche. Ang isang malaking kasalukuyang dumadaan sa circuit upang maiwasan ang kakulangan ng mga electron o butas sa rehiyon ng avalanche, at ang diode ay mananatili sa pagsasagawa ng estado.
  1. Aktibong quenching circuit: Habang ang mga diode ay recharged, ang posibilidad ng isa pang photoelectron na nakakaakit nito ay napakababa. Upang i-minimize ang dead-time, tapos na ang 'aktibong pagsusubo'. Pansamantalang bumaba ang boltahe ng bias, at pinapayagan ng pagkaantala na ito ang koleksyon ng lahat ng mga electron at hole. Kapag muling nadagdagan ang boltahe, walang electron na nananatili sa rehiyon ng pagkaubos.

InGaAs Avalanche Photodiode

Ang InGaAs o Indium Gallium Arsenide ay malinaw na ginamit sa mga aparato ng semiconductor. InGaAs avalanche photodiodes ay ginagamit para sa pagkamit ng pang-abot na mga komunikasyon ng optical fiber. Maaari itong maisagawa ang pagtuklas ng larawan sa saklaw na 1100-1700 nm. Ang InGaAs avalanche photodiodes ay mas mahusay kaysa sa ordinaryong germanium avalanche photo diodes sa mga tuntunin ng SNR at pagiging sensitibo.

Malaking lugar na avalanche photodiode

Ang mga malalaking area APD o LAAPD ay magaan na photodiode na nagtataglay ng isang malaking lugar ng pag-aktibo. Ang mga tampok nito ay may kasamang mabilis na oras ng pagtugon, pinabuting SNR, kawalan ng pagkasensitibo sa mga magnetic field, atbp.

Ultrabiyoleta-UV Avalanche photodiode

Nag-aalok ang mga diode ng larawan ng ultraviolet na avalanche ng natitirang pagiging sensitibo kung pinapatakbo sa Geiger mode. Ang silicon carbide UV APD ay nagpapakita ng isang mataas na nakuha sa signal at matinding pagkasensitibo. Ang mga UV APD ay perpekto para sa pagtuklas ng ultraviolet flame.

Silicon Avalanche Photodiode

Ang mga mataas na silicon APD ay mahusay para sa mababang pagtuklas ng ilaw. Nagtatampok ang panloob na pagpaparami ng mahusay na photosensitivity na ginagawang may kakayahang makita ang mga mababang signal ng ilaw. Pinagbuti din nito ang linearity, mababang terminal capacitance, at mababang temperatura na coefficient. Ang ilang mga application ng Si avalanche photo diodes ay mga optical rangefinder, laser radar, FSO, atbp. 

Silicon Avalanche Photodiode array

Sa mga multi-element na silicon APDs, ang rehiyon ng pagkaubos ay gawa-gawa sa ibaba lamang ng lugar ng photosensitive. Dahil dito, pinararami ng APD array ang ilaw ng insidente. Ang mga tagadala ng singil ay sinaktan sa rehiyon ng pag-ubos. Ipinapahiwatig nito na ang Si avalanche photo diode arrays ay may mababang crosstalk dahil sa nakuha.

Geiger mode avalanche photodiode

Ang Geiger mode avalanche photo diode ay binuo upang magbigay ng isang kahalili sa mga photomultiplier tubes. Gumagamit ang mga GAPD ng prinsipyo ng pagbibilang ng solong-photon sa isang boltahe nang kaunti pa kaysa sa boltahe ng breakdown ng threshold. Sa boltahe na ito, kahit na ang isang solong pares ng butas ng electron ay may kakayahang magpalitaw ng isang malakas na avalanche. Sa sitwasyong ito, binabawasan ng mga quenching circuit ang boltahe ng isang maliit na segundo. Ititigil nito ang pansamantalang avalanche, at posible ang pagtuklas ng larawan.

Ang mga diskarte sa pagbibilang ng poton na may mga photodiode ng silicon avalanche

Sa paglipas ng mga taon, dalawang uri ng mga diskarte sa pagbibilang ng photon ang ginagamit sa mga avode ng photo avalanche. 

  • Geiger mode
  • Sub-geiger mode

Ipinapahiwatig ng mga pag-aaral na ang Geiger mode ay nagpapabuti ng mahusay na pagganap para sa paggamit ng mga quenching circuit.

Single photon avalanche photodiode | Single Photon na nagbibilang ng Avalanche Photodiode

Tinatawag din itong SAPD. Ang mga SAPD ay lubos na photosensitive at na-optimize para sa mataas na dalas ng dami. Ang ilan sa mga application nito ay may kasamang an sensor ng imahe, 3D imaging, dami ng cryptography, Atbp

Mga Kalamangan at Kalamangan ng Avalanche Photodiode

Mga kalamangan ng Avalanche Photodiode

  • CanMaaari itong makita ang ilaw ng mababang intensidad.
  • ‌ Mataas ang pagiging sensitibo.
  • ‌Mabilis ang oras ng pagtugon.
  • ‌ Ang isang solong photon ay maaaring makabuo ng isang malaking bilang ng mga pares ng hole na electron.

Mga disadvantages ng Avalanche Photodiode

  • ‌Hindi kinakailangan ang mataas na boltahe ng pagpapatakbo.
  • ‌ Labis na ingay dahil sa pagdaragdag ng carrier.
  • ‌Output ay hindi linear.

Paglalapat ng Avalanche Photodiode

  • LASER scanner.
  • tagabasa ng barcode.
  • ‌Laser Rangefinders.
  • ‌Mabilis na baril.
  • Laser mikroskopya.
  • ‌PET scanner.
  • ‌ Antena Tulay ng analyzer.

FAQs

Ano ang oras ng pagtugon ng avalanche photodiode?

Ang average na oras ng pagtugon ng iba't ibang mga diode ng larawan ng avalanche ay maaaring saklaw mula 30 ps hanggang 2 ms.

Ano ang mangyayari kapag nagpadala ka ng labis na ilaw sa isang avalanche photodiode (APD)?

Ang sobrang pagkakalantad sa ilaw ay overheat ang diode at maaaring makapinsala sa aparato.

Paano gumagana ang isang avalanche photodiode?

Avalanche photodiode Gumagamit ng boltahe ng breakdown ng avalanche upang maparami ang singilin ang mga carrier at dagdagan ang kasalukuyang.

Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng PIN photodiode at avalanche photodiode?

Ang mga photodiode ng avalanche ay mayroong apat na layer, at ang mga photodiode ng PIN ay mayroong tatlong mga layer. Gayundin, hindi tulad ng mga diode ng larawan sa PIN, ang mga APD ay may mabibigat na panloob na pakinabang at pagkasensitibo dahil sa pagsingil ng pagpaparami.

Ano ang mga drawbacks ng avalanche photo diode?

Ang mga APD ay madaling kapitan ng mataas na ingay dahil sa epekto ng ionization, at ang output ay hindi linear. Ang iba pang mga limitasyon ay tinalakay sa seksyong "mga kawalan ng Avalanche Photo-diode".

Ano ang pangunahing bentahe ng isang avalanche photodiode?

Ang pangunahing bentahe ng avalanche photo-diode ay ang pagiging sensitibo at kakayahang makakita ng mga signal na mababa ang ilaw.

Ano ang epekto ng temperatura sa nakuha ng avalanche?

Pagkakaiba-iba ang pagkakaroon ng linear na may temperatura habang ang reverse breakdown voltage ay may isang linear na ugnayan sa temperatura.

Bakit tumataas ang pagkasira ng avalanche sa temperatura?

Ang pagtaas ng temperatura ay nagdaragdag ng panginginig ng mga atom at binabawasan ang ibig sabihin ng libreng landas. Dahil ang landas ay naging mas maliit, ang mga nagdadala ng singil ay nangangailangan ng mas maraming lakas upang maglakbay. Samakatuwid, ang boltahe ng pagkasira ay kailangang dagdagan.

Para sa higit pang artikulong nauugnay sa electronics pindutin dito

Tungkol kay Kaushikee Banerjee

Ano ang Avalanche Photodiode? | Ang 5+ Mahalagang paggamit at katangianIsa akong mahilig sa electronics at kasalukuyang nakatuon sa larangan ng Elektronika at Komunikasyon. Ang aking interes ay nakasalalay sa paggalugad ng mga teknolohiya ng pagputol. Ako ay isang masigasig na nag-aaral at nag-tinker ako sa paligid ng open-source electronics.
LinkedIn ID- https://www.linkedin.com/in/kaushikee-banerjee-538321175

Mag-iwan ng komento

Ang iyong email address ay hindi ilalathala. Ang mga kailangang field ay may markang *

en English
X