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fotodiodo de avalancha

Estructura del APD de silicio Un fotodiodo de avalancha ( APD ) es un tipo de fotodiodo de alta sensibilidad , que en general son diodos semiconductores que convierten la luz en...

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Estructura del APD de silicio
Estructura del APD de silicio

Un fotodiodo de avalancha ( APD ) es un tipo de fotodiodo de alta sensibilidad , que en general son diodos semiconductores que convierten la luz en electricidad mediante el efecto fotovoltaico . Los APD utilizan materiales y una estructura optimizados para operar con un alto voltaje de polarización inversa , cercano al voltaje de ruptura inversa , de modo que los portadores de carga generados por el efecto fotovoltaico se multiplican por una ruptura de avalancha ; por lo tanto, pueden utilizarse para detectar cantidades de luz relativamente pequeñas.

Desde un punto de vista funcional, pueden considerarse el análogo semiconductor de los tubos fotomultiplicadores ; a diferencia de las células solares, no están optimizados para generar electricidad a partir de la luz, sino para la detección de fotones incidentes. Las aplicaciones típicas de los APD son los telémetros láser , las telecomunicaciones por fibra óptica de largo alcance , la tomografía por emisión de positrones y la física de partículas .

Historia

El fotodiodo de avalancha fue inventado por el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa en 1952. [ 1 ] Sin embargo, el estudio de la ruptura por avalancha, los defectos de microplasma en silicio y germanio y la investigación de la detección óptica mediante uniones pn son anteriores a esta patente.

Principio de funcionamiento

Los fotodiodos generalmente funcionan mediante ionización por impacto , donde un fotón proporciona la energía necesaria para separar los portadores de carga en el material semiconductor en un par positivo y otro negativo, lo que provoca un flujo de carga a través del diodo. Al aplicar una alta tensión de polarización inversa , cualquier efecto fotoeléctrico en el diodo se puede multiplicar por el efecto de avalancha . Por lo tanto, se puede considerar que el APD aplica un efecto de alta ganancia a la fotocorriente inducida.

En general, cuanto mayor sea la tensión inversa, mayor será la ganancia. Un fotodiodo de avalancha (APD) de silicio estándar suele soportar entre 100 y 200  V de polarización inversa antes de la ruptura, lo que resulta en un factor de ganancia de alrededor de 100. Sin embargo, mediante el uso de técnicas alternativas de dopaje y biselado (estructurales) en comparación con los APD tradicionales, es posible crear diseños donde se puede aplicar una tensión mayor (>  1500  V) antes de que se produzca la ruptura  , y por lo tanto se logra una mayor ganancia operativa (> 1000).

Entre las diversas expresiones para el factor de multiplicación APD ( M ), una expresión instructiva viene dada por la fórmula

METRO=11−∫0Lα(incógnita)dincógnita,{\displaystyle M={\frac {1}{1-\int _{0}^{L}\alpha (x)\,dx}},}

donde L es el límite de carga espacial para los electrones, yα{\displaystyle \alpha }es el coeficiente de multiplicación para electrones (y huecos). Este coeficiente depende en gran medida de la intensidad del campo eléctrico aplicado, la temperatura y el perfil de dopaje. Dado que la ganancia del APD varía considerablemente con la polarización inversa aplicada y la temperatura, es necesario monitorizar de cerca la tensión inversa para mantener una ganancia estable.

Conteo en modo Geiger

Si se requiere una ganancia muy alta (de 10⁵ a 10⁶ ) , se pueden utilizar detectores relacionados con los APD, denominados SPAD ( diodos de avalancha de un solo fotón ), y operarlos con una tensión inversa superior a la tensión de ruptura típica de un APD . En este caso, es necesario limitar la corriente de señal del fotodetector y reducirla rápidamente. Para ello, se han utilizado técnicas de extinción de corriente activas y pasivas. Los SPAD que operan en este régimen de alta ganancia se denominan a veces en modo Geiger. Este modo es especialmente útil para la detección de fotones individuales, siempre que la tasa de eventos de conteo oscuro y la probabilidad de pulsos posteriores sean suficientemente bajas.

Materiales

En principio, cualquier material semiconductor puede utilizarse como región de multiplicación:

  • El silicio detectará en el espectro visible y el infrarrojo cercano, con un bajo ruido de multiplicación (ruido excesivo).
  • El germanio (Ge) detecta la radiación infrarroja hasta una longitud de onda de 1,7  μm, pero presenta un alto ruido de multiplicación.
  • El InGaAs detecta longitudes de onda superiores a 1,6  μm y presenta menor ruido de multiplicación que el Ge. Normalmente se utiliza como región de absorción de un diodo de heteroestructura , generalmente con InP como sustrato y capa de multiplicación. [ 2 ] Este sistema de materiales es compatible con una ventana de absorción de aproximadamente 0,9–1,7  μm. El InGaAs presenta un alto coeficiente de absorción en las longitudes de onda adecuadas para las telecomunicaciones de alta velocidad mediante fibras ópticas , por lo que solo se requieren unos pocos micrómetros de InGaAs para una absorción de luz cercana al 100 %. [ 2 ] El factor de ruido en exceso es lo suficientemente bajo como para permitir un producto ganancia-ancho de banda superior a 100  GHz para un sistema simple de InP/InGaAs, [ 3 ] y hasta 400  GHz para InGaAs sobre silicio. [ 4 ] Por lo tanto, es posible el funcionamiento a alta velocidad: existen dispositivos comerciales disponibles para velocidades de al menos 10  Gbit/s. [ 5 ]
  • Los diodos basados ​​en nitruro de galio se han utilizado para funcionar con luz ultravioleta .
  • Los diodos basados ​​en HgCdTe operan en el infrarrojo, normalmente en longitudes de onda de hasta aproximadamente 14  μm, pero requieren refrigeración para reducir las corrientes oscuras. En este sistema de materiales se puede lograr un ruido excesivo muy bajo.

Estructura

Los APD a menudo no se construyen como simples uniones pn , sino que tienen diseños más complejos como p+-ip-n+. [ 6 ]

Límites de rendimiento

La aplicabilidad y utilidad de los APD dependen de muchos parámetros. Dos de los factores más importantes son: la eficiencia cuántica , que indica la eficacia con la que se absorben los fotones ópticos incidentes y se utilizan para generar portadores de carga primarios; y la corriente de fuga total, que es la suma de la corriente oscura, la fotocorriente y el ruido. Los componentes del ruido oscuro electrónico son el ruido en serie y el ruido en paralelo. El ruido en serie, que es el efecto del ruido de disparo , es básicamente proporcional a la capacitancia del APD, mientras que el ruido en paralelo está asociado con las fluctuaciones de las corrientes oscuras superficiales y volumétricas del APD.

Ruido de ganancia, factor de ruido excesivo

Otra fuente de ruido es el factor de ruido excesivo, ENF. Es una corrección multiplicativa aplicada al ruido que describe el aumento del ruido estadístico, específicamente el ruido de Poisson, debido al proceso de multiplicación. El ENF se define para cualquier dispositivo, como tubos fotomultiplicadores, fotomultiplicadores de estado sólido de silicio y APD, que multiplica una señal, y a veces se le denomina "ruido de ganancia". Con una ganancia M , se denota por ENF( M ) y a menudo se puede expresar como

ENF=κMETRO+(2−1METRO)(1−κ),{\displaystyle {\text{ENF}}=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)(1-\kappa ),}

dóndeκ{\displaystyle \kappa }es la relación entre la tasa de ionización por impacto de huecos y la de electrones. Para un dispositivo de multiplicación de electrones, se obtiene dividiendo la tasa de ionización por impacto de huecos entre la tasa de ionización por impacto de electrones. Es deseable que exista una gran asimetría entre estas tasas para minimizar ENF( M ), ya que ENF( M ) es uno de los principales factores que limitan, entre otras cosas, la mejor resolución energética posible.

Ruido de conversión, factor de Fano

El término de ruido para un APD también puede contener un factor de Fano, que es una corrección multiplicativa aplicada al ruido de Poisson asociado con la conversión de la energía depositada por una partícula cargada en pares electrón-hueco, que es la señal antes de la multiplicación. El factor de corrección describe la disminución del ruido, en relación con la estadística de Poisson, debido a la uniformidad del proceso de conversión y la ausencia de, o un acoplamiento débil a, estados de baño en el proceso de conversión. En otras palabras, un semiconductor "ideal" convertiría la energía de la partícula cargada en un número exacto y reproducible de pares electrón-hueco para conservar la energía; sin embargo, en la realidad, la energía depositada por la partícula cargada se divide en la generación de pares electrón-hueco, la generación de sonido, la generación de calor y la generación de daño o desplazamiento. La existencia de estos otros canales introduce un proceso estocástico , donde la cantidad de energía depositada en cualquier proceso individual varía de un evento a otro, incluso si la cantidad de energía depositada es la misma.

Otras influencias

La física subyacente asociada con el factor de ruido excesivo (ruido de ganancia) y el factor de Fano (ruido de conversión) es muy diferente. Sin embargo, la aplicación de estos factores como correcciones multiplicativas al ruido de Poisson esperado es similar. Además del ruido excesivo, existen límites al rendimiento del dispositivo asociados con la capacitancia, los tiempos de tránsito y el tiempo de multiplicación de avalancha. [ 2 ] La capacitancia aumenta con el aumento del área del dispositivo y la disminución del espesor. Los tiempos de tránsito (tanto de electrones como de huecos) aumentan con el aumento del espesor, lo que implica una compensación entre la capacitancia y el tiempo de tránsito para el rendimiento. El tiempo de multiplicación de avalancha multiplicado por la ganancia viene dado, en primera aproximación, por el producto ganancia-ancho de banda, que es una función de la estructura del dispositivo y, sobre todo, de laκ{\displaystyle \kappa \,}.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Jun-ichi Nishizawa – Ingeniero, Profesor Especial de la Universidad Sophia – JAPAN QUALITY REVIEW" . Archivado del original el 21 de julio de 2018. Consultado el 15 de mayo de 2017 .
  2. 1 2 3 Tsang, WT, ed. (1985). Semiconductores y semimetales . Vol. 22, Parte D "Fotodetectores". Academic Press. 
  3. ↑ Tarof, LE (1991). "Fotodetector de avalancha planar de InP/GaAs con producto ganancia-ancho de banda superior a 100 GHz". Electronics Letters . 27 (1): 34– 36. Bibcode : 1991ElL....27...34T . doi : 10.1049/el:19910023 .
  4. ↑ Wu, W.; Hawkins, AR; Bowers, JE (1997). "Diseño de fotodetectores de avalancha InGaAs/Si para un producto ganancia-ancho de banda de 400 GHz". En Park, Yoon-Soo; Ramaswamy, Ramu V (eds.). Circuitos integrados optoelectrónicos . Vol. 3006. pp. 36– 47. Bibcode : 1997SPIE.3006...38W . doi : 10.1117/12.264251 . S2CID 109777495 .   {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  5. ↑ Campbell, JC (2007). "Avances recientes en fotodiodos de avalancha para telecomunicaciones" . Journal of Lightwave Technology . 25 (1): 109– 121. Bibcode : 2007JLwT...25..109C . doi : 10.1109/JLT.2006.888481 . S2CID 1398387 . 
  6. ↑ "Fotodiodo de avalancha : construcción, funcionamiento y aplicaciones" . 25 de noviembre de 2021. 

Lecturas adicionales

  • Fotodiodo de avalancha: Guía del usuario
  • Fotodiodo de avalancha: receptores APD de bajo ruido
  • Kagawa, S. (1981). "Fotodiodos de avalancha de germanio p+-n totalmente implantados con iones". Applied Physics Letters . 38 (6): 429– 431. Bibcode : 1981ApPhL..38..429K . doi : 10.1063/1.92385 .
  • Hyun, Kyung-Sook; Park, Chan-Yong (1997). "Características de ruptura en fotodiodo de avalancha InP/InGaAs con estructura de capa de multiplicación pin". Journal of Applied Physics . 81 (2): 974. Bibcode : 1997JAP....81..974H . doi : 10.1063/1.364225 .
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