Qu'est-ce que la photodiode d'avalanche ? | Ses 5+ utilisations et caractéristiques importantes

Photodiode d'avalanche

Crédit d'image: "Fichier: Avalanche photodiode.JPG" by Radovan Blažek sous est autorisé CC BY-SA 3.0

Sujet de discussion: Photodiode d'avalanche

Définition de la photodiode d'avalanche

Les photodiodes à avalanche ou APD sont des dispositifs semi-conducteurs très sensibles qui transforment les signaux optiques en signaux électriques. Ceux-ci fonctionnent sous une polarisation inverse élevée. Le terme « avalanche » vient du phénomène de rupture d'avalanche.

Symbole de photodiode d'avalanche

Photodiode d'avalanche

Le symbole de la photodiode à avalanche est le même que celui de la diode Zener.

Structure de photodiode d'avalanche

Structure APD

La structure de la photodiode Avalanche ordinaire est similaire à la photodiode PIN. Il se compose de deux régions fortement dopées (région p + et n +) et de deux régions légèrement dopées (région I ou région intrinsèque et région P). La largeur de la couche d'appauvrissement dans la région intrinsèque est relativement plus mince en APD que la photodiode PIN. La région p + agit comme l'anode et n + agit comme la cathode. Le biais inverse est principalement appliqué dans la région pn +.

Schéma du circuit de la photodiode d'avalanche

Pour appliquer des conditions de polarisation inverse, la région p+ est connectée à la borne négative et la région n+ est connectée à la borne positive de la batterie.

Principe de fonctionnement de la photodiode à avalanche

  • Une panne d'avalanche a lieu lorsque la diode est soumise à une tension inverse élevée.
  • La tension de polarisation inverse augmente le champ électrique à travers la couche d'appauvrissement.
  • La lumière incidente pénètre dans la région p+ et est ensuite absorbée dans la région p hautement résistive. Ici, des paires électron-trou sont produites.
  • Un champ électrique comparativement plus faible provoque une séparation entre ces paires. Les électrons et les trous dérivent avec leur vitesse de saturation vers la région pn+ où existe un champ électrique élevé.
  • Comme la vitesse est maximale, les porteurs entrent en collision avec d'autres atomes et génèrent de nouvelles paires électron-trou. Un grand nombre de paires eh entraîne un photocourant élevé.

Photodiode d'avalanche Caractéristiques

  • La région intrinsèque de l'APD est légèrement dopée de type p. On l'appelle aussi 𝜋-région.
  • La région n+ est la plus fine et elle est éclairée à travers une fenêtre.
  • Le champ électrique est maximal à la jonction pn+, puis il commence à décroître dans la région p. Son intensité diminue dans la région 𝜋 et disparaît progressivement à la fin de la couche p +.
  • Même un seul photon absorbé conduit à la génération d'un grand nombre de paires électron-trou. C'est ce qu'on appelle le processus de gain interne.
  • La génération excessive de paires électron-trou due à la collision de porteurs de charge est appelée multiplication des avalanches. Facteur de multiplication ou gain,

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

iph= photocourant APD multiplié

            ipho=photocourant avant multiplication

La valeur M dépend fortement de biais inverse et la réactivité aussi.

Fonctionnement de la photodiode d'avalanche

Les APD fonctionnent en mode complètement épuisé. Outre le mode d'avalanche linéaire, les APD peuvent également fonctionner dans le Mode Geiger. Dans ce mode de fonctionnement, la photodiode fonctionne à une tension supérieure à la tension de claquage. Récemment, un autre mode a été introduit, appelé mode Sub-Geiger. Ici, avec la sensibilité à un seul photon, le gain interne est également très élevé, juste en dessous du claquage.

Ionisation par impact dans les photodiodes d'avalanche 

Une fois les photons absorbés dans la couche , un nombre suffisant de paires électron-trou se forme. Le champ électrique sépare les paires et les porteurs de charge indépendants se dirigent vers les régions n+ et p+. Dans la région p, les électrons subissent un champ électrique massif. Sous l'effet de ce champ, les électrons dérivent avec leur vitesse de saturation et entrent en collision. Cette collision aide à la multiplication des charges. Ce phénomène global est appelé ionisation par impact.

Taux d'ionisation, k = \ frac {\ alpha} {\ beta}

⍺ = taux d'électrons

            ꞵ = taux de trous  

Diagramme de photodiode d'avalanche

Fiche technique de la photodiode d'avalanche

PhotodétecteurCentralLa réactivitéCourant sombre
APD InGaAs1310 1550 nm0.8 A / W30 nA
Germanium APD1000 1500 nm0.7 A / W1000 nA

Module de photodiode d'avalanche

Les APD font partie de modules qui contiennent des éléments électroniques supplémentaires en dehors de la photodiode. Il peut y avoir un amplificateur opérationnel trans-impédance dans certains packages qui améliore les performances et augmente la bande passante et la réactivité. Certains boîtiers sont optimisés pour être utilisés en fibre optique. Certains intègrent des thermocapteurs pour une meilleure stabilité.

Réseau de photodiodes d'avalanche

Les matrices de photodiodes avalanche sont de petite taille et génèrent également un gain de location. Ils sont spécialement conçus pour être utilisés dans les LIDAR, les télémètres laser, etc. Bien que les baies APD ne soient pas encore des produits courants, certains fabricants les fabriquent en raison de leurs caractéristiques uniques.

Bruit de photodiode d'avalanche

Les principaux composants du bruit dans l'APD sont 

  • Bruit quantique ou de tir (iQ): Le processus d'avalanche est la principale raison derrière cela. 
  • Bruit de courant sombre: Le bruit de courant d'obscurité est généré par l'absence de lumière dans une photodiode. Il peut en outre être classé en bruit de courant en vrac (iDB) et bruit de courant de surface (iDS).
  • Bruit thermique: C'est le bruit de l'amplificateur connecté à la photodiode.

En raison de la multiplication des porteuses, un bruit important est ajouté aux bruits existants. Il est connu comme facteur de bruit excessif or ENF.

ENF ou F(M)= kM + \gauche ( 2-\frac{1}{M} \right )\gauche ( 1-k \right )

M = facteur de multiplication

            k = coefficient d'ionisation par impact

Par conséquent, la valeur quadratique moyenne du bruit total iN dans APD est,

\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} \right )BM^{2}F\left ( M \right )+ 2qI_{ KG

Où 

q= charge d'un électron

Ip= photocourant

B = bande passante

M= facteur de multiplication

ID= courant d'obscurité en vrac

IL= courant de fuite superficiel

Le bruit thermique dans l'amplificateur trans-impédance est,

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

kB= Constante de Boltzmann

           T = température absolue

           RL= résistance de charge

Différence entre PIN et photodiode d'avalanche | Photodiode à avalanche et photodiode PIN

Photodiode d'avalancheParamètresPhotodiode PIN
Quatre couches - P+, I, P, N+CouchesTrois couches- P+, I, N+
Très élevéLe temps de réponseTrès moins
Faible valeur du courantCourant de sortieLa multiplication de la porteuse provoque une valeur de courant amplifiée
Le gain peut atteindre 200Gain interneLe gain est insignifiant
Très sensibleSensibilité Un peu moins sensible
Les amplificateurs peuvent améliorer les performances, mais l'APD peut toujours fonctionner sans cela car le gain est déjà là.Amplificateur Il n'y a pas de gain interne, l'utilisation d'amplificateurs est donc obligatoire.
Plus élevé en raison de la multiplication des chargesBruitComparativement moins que les APD
Très haut Tension de polarisation inverseFaible 
Great Stabilité à la températureMauvais

Amplificateur à photodiode d'avalanche

Comme les photodiodes PIN, les APD utilisent également l'amplificateur transimpédance à quatre canaux pour réduire le bruit, une impédance élevée et une faible consommation d'énergie. Certains amplificateurs offrent également une flexibilité de température et une fiabilité élevée. Toutes ces caractéristiques rendent la photodiode adaptée à une utilisation dans les récepteurs LIDAR.

Détecteur à photodiode d'avalanche

Les APD sont préférés aux photodiodes PIN dans la détection de la lumière pour leur sensibilité accrue. Lorsqu'une tension relativement élevée est donnée, le nombre de porteurs de charge augmente et ils sont accélérés sous l'effet de champs électriques puissants. La collision interne se produit et la multiplication des charges a lieu. En conséquence, la valeur du photocourant augmente, ce qui améliore le processus global de photo-détection.

Photodiode d'avalanche dans la communication par fibre optique

Dans les systèmes de communication par fibre optique, les APD sont généralement nécessaires pour la détection de signaux faibles. Les circuits doivent être suffisamment optimisés pour détecter les signaux faibles en maintenant un SNR (rapport signal / bruit). Ici,

SNR=\frac{puissance\ : de \ : le\ : photocourant}{puissance\ : de\ : photodétecteur + puissance\ : de\ : amplificateur\ : bruit}

Pour obtenir un bon SNR, l'efficacité quantique doit être élevée. Comme cette valeur est presque proche de la valeur maximale, la plupart des signaux sont détectés.

Comparaison entre APD et PMT | Photodiode d'avalanche vs tube photomultiplicateur

Photodiode d'avalancheTube photomultiplicateur 
Il se compose de quatre couches avec des concentrations de dopage différentes.Il se compose d'une photocathode, de dynodes et d'un tube de verre sous vide.
Il utilise le phénomène de multiplication des avalanches pour produire des porteurs de charge.Il utilise la technique d'absorption de photons pour l'émission d'électrons en excès.
Il convertit les photons en électrons.Il amplifie le nombre d'électrons.
Les APD sont très sensibles.La sensibilité du PMT est limitée.
Le coût des APD est inférieur à celui des PMT.Les PMT sont les appareils les plus coûteux.

APD et circuits d'extinction 

  1. Circuit de trempe passive: Ce type de circuit utilise une résistance de charge, un élément passif, pour éteindre l'impulsion de claquage. Les photoélectrons déclenchent l'avalanche. Un courant important est passé à travers le circuit pour éviter le manque d'électrons ou de trous dans la région d'avalanche, et la diode reste à l'état conducteur.
  1. Circuit de trempe actif : Pendant que les diodes sont rechargées, la probabilité qu'un autre photoélectron le frappe est très faible. Pour minimiser le temps mort, une « trempe active » est effectuée. La tension de polarisation est temporairement baissée, et ce délai permet la collecte de tous les électrons et trous. Lorsque la tension est à nouveau augmentée, aucun électron ne reste dans la région d'appauvrissement.

Photodiode d'avalanche InGaAs

InGaAs ou Indium Gallium Arsenide est vivement utilisé dans les dispositifs à semi-conducteurs. Les photodiodes à avalanche InGaAs sont utilisées pour réaliser des communications par fibre optique à longue portée. Ceux-ci peuvent effectuer une photo-détection dans la plage de 1100-1700 nm. Les photodiodes à avalanche InGaAs sont meilleures que les photodiodes à avalanche au germanium ordinaires en termes de SNR et de sensibilité.

Photodiode d'avalanche de grande surface

Les APD ou LAAPD à grande surface sont des photodiodes légères qui possèdent une grande zone d'activation. Ses caractéristiques incluent un temps de réponse rapide, un SNR amélioré, une insensibilité aux champs magnétiques, etc.

Ultra-violet-Photodiode UV Avalanche

Les photodiodes à avalanche ultraviolette offrent une sensibilité exceptionnelle si elles sont utilisées en mode Geiger. L'APD UV en carbure de silicium présente un gain de signal élevé et une sensibilité extrême. Les APD UV sont idéaux pour la détection de flammes ultraviolettes.

Photodiode à avalanche de silicium

Les APD à haute teneur en silicium sont parfaits pour la détection de faible luminosité. La multiplication interne présente une grande photosensibilité qui la rend capable de détecter les signaux de faible luminosité. Il présente également une linéarité améliorée, une faible capacité terminale et un coefficient de basse température. Certaines applications des photodiodes à avalanche Si sont les télémètres optiques, les radars laser, les FSO, etc. 

Réseau de photodiodes à avalanche de silicium

Dans les APD en silicium à éléments multiples, la région d'appauvrissement est fabriquée juste en dessous de la zone photosensible. De ce fait, le réseau APD multiplie la lumière incidente. Les porteurs de charge ont frappé dans la région d'épuisement. Cela implique que les réseaux de photodiodes à avalanche de Si ont une faible diode en raison du gain.

Photodiode à avalanche en mode Geiger

Les photodiodes à avalanche en mode Geiger sont développées pour fournir une alternative aux tubes photomultiplicateurs. Les GAPD utilisent le principe de comptage à photon unique à une tension légèrement supérieure à la tension de claquage seuil. À cette tension, même une seule paire électron-trou est capable de déclencher une forte avalanche. Dans cette situation, les circuits d'extinction réduisent la tension d'une fraction de seconde. Cela arrête l'avalanche pour le moment et la photo-détection est possible.

Techniques de comptage de photons avec des photodiodes à avalanche au silicium

Au fil des ans, deux types de techniques de comptage de photons sont utilisés dans les photodiodes à avalanche. 

  • Mode Geiger
  • ‌ Mode sous-geiger

Des études suggèrent que le mode Geiger améliore considérablement les performances pour l'utilisation de circuits de trempe.

Photodiode à avalanche monophotonique | Photodiode d'avalanche comptant un photon unique

Ceux-ci sont également appelés SAPD. Les SAPD sont hautement photosensibles et optimisés pour une fréquence quantique élevée. Certaines de ses applications incluent un capteur d'image, imagerie 3D, cryptographie quantique, Etc.

Avantages et inconvénients de la photodiode à avalanche

Avantages de la photodiode à avalanche

  • Il peut détecter la lumière de faible intensité.
  • ‌ La sensibilité est élevée.
  • ‌Le temps de réponse est plus rapide.
  • ‌Un seul photon peut générer un grand nombre de paires électron-trou.

Inconvénients de la photodiode d'avalanche

  • ‌Une tension de fonctionnement élevée est requise.
  • ‌ Excès de bruit dû à la multiplication des porteuses.
  • ‌La sortie n'est pas linéaire.

Application de la photodiode d'avalanche

  • Scanner LASER.
  • lecteur de code-barres.
  • Télémètres laser.
  • Pistolet de vitesse.
  • ‌Microscopie laser.
  • ‌ Scanner PET.
  • antenne Pont analyseur.

FAQs

Quel est le temps de réponse de la photodiode à avalanche?

Le temps de réponse moyen des différentes photodiodes à avalanche peut aller de 30 ps à 2 ms.

Que se passe-t-il lorsque vous envoyez trop de lumière à une photodiode à avalanche (APD) ?

Une trop grande exposition à la lumière surchauffe la diode et peut endommager l'appareil.

Comment fonctionne une photodiode à avalanche ?

Photodiode d'avalanche utilise la tension de claquage en avalanche pour multiplier les porteurs de charge et augmenter le courant.

Quelle est la différence entre la photodiode PIN et la photodiode à avalanche?

Les photodiodes avalanche ont quatre couches et les photodiodes PIN ont trois couches. De plus, contrairement aux photodiodes PIN, les APD ont un gain interne et une photosensibilité élevés en raison de la multiplication de charge.

Quels sont les inconvénients de la photodiode à avalanche?

Les APD sont sensibles à un bruit élevé en raison de l'ionisation par impact, et la sortie est non linéaire. D'autres limitations ont été discutées dans la section "Inconvénients des photodiodes d'avalanche".

Quel est le principal avantage d'une photodiode à avalanche?

Le principal avantage de la photodiode à avalanche est sa sensibilité et sa capacité à détecter les signaux de faible luminosité.

Quel est l'effet de la température sur le gain d'avalanche?

Le gain varie linéairement avec la température car la tension de claquage inverse a une relation linéaire avec la température.

Pourquoi la dégradation par avalanche augmente-t-elle avec la température?

Une élévation de température augmente la vibration des atomes et diminue le libre parcours moyen. Puisque le chemin devient plus petit, les porteurs de charge ont besoin de plus d'énergie pour se déplacer. Par conséquent, la tension de claquage doit être augmentée.

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À propos de Kaushikee Banerjee

Je suis un passionné d'électronique et je me consacre actuellement au domaine de l'électronique et des communications. Mon intérêt réside dans l'exploration des technologies de pointe. Je suis un apprenant enthousiaste et je bricole avec l'électronique open source.
Identifiant LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/kaushikee-banerjee-538321175

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