Usuari:Mcapdevila/Fotodíode d'allau

Els fotodíodes d'allau (APDS) són fotodetectors que es poden considerar com l'equivalent semiconductor dels fotomultiplicadors. Aplicant un alt voltatge en inversa (típicament 100-200 V en silici), els APD mostren un efecte intern de guany de corrent (aproximadament 100) a causa de la ionització d'impacte (Efecte allau). No obstant això, alguns APD de silici empren un dopatge alternatiu i altres tècniques que permeten aplicar un voltatge major (> 1500 V) abans d'arribar l'efecte d'allau i, per tant, un guany major (> 1000). En general, com més gran és el voltatge en inversa, major és el guany. Entre les diferents expressions per al factor de multiplicació dels APD (M) , una expressió instructiva ve donada per la fórmula

$M={\frac {1}{1-\int _{0}^{L}\alpha (x)\,dx}}$

on L és el límit de l'espai de càrrega per als electrons i $\alpha$ és el coeficient de multiplicació dels electrons (i forats). Aquest coeficient té una forta dependència de la intensitat del camp elèctric aplicat, de la temperatura, i del perfil de dopatge. Ja que el guany dels APD varia fortament amb la tensió en inversa aplicada i amb la temperatura, cal controlar aquesta tensió en inversa per obtenir un valor estable de guany. Els fotodíodes d'allau són, per tant, més sensibles que altres fotodíodes semiconductors.

Si es requereix un guany molt alta (de 10 ⁵ a 10 ⁶ ), alguns APDS poden operar amb una tensió en inversa per sobre de la tensió de ruptura. En aquest cas, l'APD necessita tenir el corrent limitada i disminuïda ràpidament. S'han utilitzat tècniques actives i passives de control d'intensitat amb aquest propòsit. Els APD que operen en aquest règim de guany estan en mode Geiger. Aquesta manera és particularment útil per a la detecció de fotons aïllats suposant que el corrent de foscor sigui prou baixa. Formant una matriu amb centenars o milers d'APDS es construeix un fotomultiplicador de silici.

Una aplicació típica dels APD és el telèmetre làser i la telecomunicació de llarga distància per fibra òptica. Noves aplicacions inclouen la tomografia per emissió de positrons, la física de partícules. Els arrays d'APD comencen a estar disponibles comercialment.

La utilitat i aplicabilitat dels APD depèn de molts paràmetres. Alguns dels més importants són: eficiència quàntica, que és un indicador de quant són absorbits els fotons incidents i usats per a generar portadores de càrrega primàries, el corrent total de fugues, que és la suma del corrent de foscor, fotocorrent i soroll de foscor. Les components del soroll de foscor electrònic estan en sèrie i en paral·lel. El soroll en sèrie, que és l'efecte del soroll de tret, és proporcional a la capacitància de l'APD, mentre que el soroll en paral·lel s'associa amb les fluctuacions del corrent de superfície. Una altra font de soroll és l'excés del factor de soroll (F) . Descriu el soroll estadísticament inherent al procés de multiplicació estocàstic de l'APD.

Materials

En principi qualsevol material semiconductor es pot usar com a regió de multiplicació:

• El silici detecta espectre visible i infraroig proper, amb un soroll de multiplicació baix.
• El germani (Ge) detecta infraroig fins a una longitud d'ona de 1.7 micres, però té un soroll de multiplicació alt.
• InGaAs detecta fins a 1.6 micres, i té un soroll de multiplicació menor que el germani. S'usa normalment com a regió multiplicadora d'un díode d'heterojunció. Aquest material conductor és compatible amb telecomunicacions per fibra òptica de llarga distància. Existeixen aparells comercials amb velocitats de 10 Gbit/s.
• Els díodes basats en nitrit de gal·li s'han usat per operar amb llum ultraviolada.
• Els díodes basats en HgCdTe operen en l'infraroig, típicament fins a una longitud d'ona màxima de 14 micres, però necessiten refrigeració per reduir el corrent de foscor. Amb aquest material es pot aconseguir un soroll molt baix.

Soroll de multiplicació

Com s'ha comentat a dalt, hi ha un soroll a causa del procés de multiplicació amb un guany ${\mathit {M}}$, i es denota per $F(M)$. Pot expressar-se com:

$F=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)\left(1-\kappa \right)$

on $\kappa \,$ és la relació entre la velocitat d'ionització per impacte dels forats respecte a la dels electrons. És desitjable tenir una gran asimetria aquests dos factors, amb el propòsit de minimitzar $F(M)$, ja que $F(M)$ és un dels factors principals que limita la resolució d'energia que pot obtenir.

Referències

• Fully ió-implanted p+-n germanium avalanche photodiodes, S. Kagawa, T. Kaneda, T. Mikawa, I. Banba, I. Toyama, and O. Mikami, Applied Physics Letters vol. 38, Iss. 6, pp. 429–431 (1981)doi:10.1063/1.92385
• Breakdown Characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with pin multiplication layer structure, Hyun, Kyung-Sook; Park, Chan-Yong; Journal of Applied Physics, vol. 81, Iss. 2, pp. 974–984 (1997)doi:10.1063/1.364225

Enllaços externs

Acadèmics

• jones/es154/lectures/lecture_2/breakdown/breakdown.html Zener and avalanche Diodes
• Noise processes - Bibliografia personal de Malvín Teich

Comercials

• User 's Guide Perkin-Elmer Corporation
• #Ge% 20APD Judson Germanium APD
• Characteristics and use of Si APD (Avalanche Photodiode) Hamamatsu Photonics
• scintikek/pdf/0311_KEK_School-Photosensor.pdf Recent Progress of Photosensor Hamamatsu Photonics
• Some general Characteristics of avalanche photodiodes CPTA