Fid-dinja tas-sejbien ottiku, ħafna drabi għandna bżonn niskopru sinjali ottiċi estremament dgħajfa, bħal fil-komunikazzjoni tal-fibra ottika fuq distanza twila-, LiDAR, jew osservazzjonijiet astronomiċi. Photodiodes ordinarji ħafna drabi ma jaqgħux taħt dawn il-kompiti minħabba li s-sinjali elettriċi li jiġġeneraw huma dgħajfa wisq u jistgħu faċilment jiġu mgħarrqa mill-ħoss inerenti tas-sistema. Dan huwa fejn jidħol l-Avalanche Photodiode. Bil-mekkaniżmu uniku ta 'gwadann intern tiegħu, sar stilla fil-qasam ta' fotodetezzjoni ta'-sensittività għolja.
Minn Photodiodes Ordinarji għal APDs
Fotodiodes ordinarji joperaw ibbażati fuq l-effett fotoelettriku f'junction PN semikonduttur. Meta foton b'enerġija suffiċjenti (hv > Eż, fejn Eg hija l-enerġija bandgap tal-materjal semikonduttur) jolqot ir-reġjun tat-tnaqqis, jeċita elettron mill-faxxa ta' valenza għall-faxxa tal-konduzzjoni, u b'hekk jiġġenera par ta' toqba ta' elettron-. Taħt preġudizzju invers applikat, dawn it-trasportaturi fotoġenerati jersqu lejn id-direzzjoni, u jiffurmaw fotokurrent. Dan il-proċess huwa wieħed-għal-wieħed: foton wieħed jiġġenera par trasportatur wieħed.
L-APDs huma bbażati fuq dan l-istess prinċipju fundamentali, iżda s-sofistikazzjoni tagħhom tinsab fil-proċess ta '"valanga" sussegwenti.
Prinċipju Ewlieni: Ionizzazzjoni tal-Impatt u Multiplikazzjoni tal-Valanga
Id-differenza ewlenija bejn APD u photodiode ordinarju tinsab fil-vultaġġ operattiv tiegħu. APD huwa soġġett għal preġudizzju invers għoli ħafna, valur qrib ħafna (iżda ftit taħt) il-vultaġġ tat-tqassim tal-junction PN. Taħt dan il-kamp elettriku qawwi, it-trasportaturi fotoġenerati (kemm jekk elettroni jew toqob, skont id-disinn tal-materjal semikonduttur) huma aċċellerati ħafna, u jakkwistaw enerġija kinetika għolja ħafna.
Meta dawn it-trasportaturi ta'-veloċità għolja jaħbtu ma' atomi tal-kannizzata, għandhom biżżejjed enerġija biex "jħabbtu" l-elettroni mill-faxxa ta' valenza għall-faxxa tal-konduzzjoni, u b'hekk jiġġeneraw pari ta' toqob ta' elettroni-ġodda. Dan il-proċess jissejjaħ "jonizzazzjoni tal-impatt." It-trasportaturi iġġenerati l-ġodda huma, min-naħa tagħhom, aċċellerati mill-kamp elettriku qawwi u jkomplu jħallu impatt-jonizzaw saħansitra aktar trasportaturi. Minn wieħed, jinħolqu tnejn; minn tnejn, jinħolqu erbgħa... Fi żmien estremament qasir u spazju żgħir, in-numru ta 'trasportaturi jiżdied b'mod esponenzjali, u jiffurmaw reazzjoni katina simili għal valanga. Din hija l-oriġini tal-isem "Avalanche Photodiode."
Fl-aħħar mill-aħħar, foton inizjali wieħed m'għadux jipproduċi par trasportatur wieħed biss, iżda permezz tal-effett tal-valanga, iqanqal mijiet jew saħansitra eluf ta 'pari trasportatur. Dan il-fattur ta 'amplifikazzjoni tal-għadd tat-trasportaturi huwa magħruf bħala l-"gwadann" jew "fattur ta' multiplikazzjoni" tal-APD, li tipikament jista 'jvarja minn għexieren sa mijiet.
Karatteristiċi Ewlenin u Sfidi tal-APDs
Sensittività Għolja:Grazzi għall-gwadann intern, l-APDs jistgħu jiskopru sinjali ottiċi dgħajfa li huma imperċettibbli għal photodiodes ordinarji, u jtejbu ħafna l-proporzjon tas-sinjal-għall--storbju.
Veloċità ta' Rispons:Il-proċess tal-valanga fl-APDs iseħħ fuq skala ta' żmien ta' pikosekonda, u b'hekk ir-rispons tagħhom ikun veloċi ħafna, adattat għal-komunikazzjoni b'veloċità għolja u skoperta bil-laser pulsat.
Preġudizzju operattiv:L-APDs għandhom joperaw b'vultaġġ għoli ta 'polarizzazzjoni qrib il-vultaġġ tat-tqassim, li jpoġġi talbiet estremament għoljin fuq l-istabbiltà tal-provvista tal-enerġija. Fluttwazzjonijiet minuti fil-vultaġġ jistgħu jikkawżaw bidliet sinifikanti fil-qligħ u saħansitra jwasslu għal ħsara lill-apparat.
Storbju:Din hija l-isfida ewlenija għall-APDs. Il-proċess tal-valanga innifsu huwa stokastiku, u l-qligħ għandu varjazzjonijiet inerenti, li jintroduċi "ħoss ta 'multiplikazzjoni." Barra minn hekk, il-kurrent skur jiġi ġġenerat minħabba effetti termali, fost raġunijiet oħra. Għalhekk, l-APDs ħafna drabi jeħtieġ li jintużaw ma 'apparat li jkessaħ termoelettriċi biex jistabbilizzaw it-temperatura u jnaqqsu l-istorbju.
Applikazzjonijiet
Il-prestazzjoni eċċezzjonali tal-APDs tagħmilhom indispensabbli f'ħafna oqsma teknoloġiċi avvanzati{0}:
Komunikazzjoni ottika:Użat fit-tarf riċevitur tal-komunikazzjoni tal-fibra ottika ta'-distanza twila, ta'-veloċità għolja biex testendi l-firxa tat-trażmissjoni.
LiDAR:Użat fis-sewqan awtonomu u l-immappjar 3D biex jinstabu sinjali tal-lejżer dgħajfa riflessi minn oġġetti 'l bogħod.
Immaġini Mediċi:Bħal Tomografija ta 'Emissjoni ta' Pożitroni, użata biex tiskopri fotoni gamma minn ġewwa l-ġisem.
Astronomija u Spettroskopija:Issib fotoni ħfief minn stilel imbiegħed.
Konklużjoni
Fil-qosor, il-Photodiode Avalanche jopera billi japplika kamp elettriku qawwi qrib il-vultaġġ tat-tqassim fi ħdan l-istruttura interna tiegħu, u juża jonizzazzjoni tal-impatt biex iqajjem effett ta 'multiplikazzjoni tal-valanga, u b'hekk jamplifika internament il-kurrent fotoġenerat. Dan il-prinċipju ta 'ħidma uniku jagħmilha għażla ideali għall-iskoperta ta' sinjali ottiċi dgħajfa u veloċi. Għalkemm jiffaċċja sfidi fil-kontroll tal-istorbju u l-istabbiltà tal-preġudizzju, l-APDs, bis-sensittività għolja u r-rispons b'veloċità għolja-għolja tagħhom, iżommu sod pożizzjoni kruċjali fit-teknoloġija optoelettronika moderna.