Avalanche Photodioden
Avalanche-Photodioden (APDs) sind aus der Schwachlichtdetektion, den Laser-Radarsystemen, der optischen Datenübertragung, den Barcode-Scannern oder den biomedizinischen Geräten nicht mehr wegzudenken.
Was ist ein APD?
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APDs unterscheiden sich von "normalen" PIN-Photodioden dadurch, dass eintreffende Photonen intern eine Ladungslawine auslösen. Voraussetzung dafür ist das Anlegen einer Sperrvorspannung an die APD, um die Absorptionsschicht "A" zu verbreitern.
In herkömmlichen Photodioden erzeugen die eintreffenden Photonen Elektron-Loch-Paare, auch Ladungsträger genannt, die einen messbaren Photostrom liefern. Die Energie der einfallenden Photonen wurde in elektrische Energie umgewandelt. Hier haben die APDs einen bedeutenden Schritt nach vorn gemacht. Das Vorspannungspotential ist viel höher als bei normalen Photodioden. In der APD werden die durch das Licht freigesetzten Ladungsträger im elektrischen Feld so beschleunigt, dass sie durch Stoßionisation weitere Elektron-Loch-Paare erzeugen. Ist die Sperrspannung kleiner als die Durchbruchspannung, stirbt die Lawine aufgrund von Reibungsverlusten wieder ab. Bis zu diesem Punkt hat ein einziges Photon Hunderte oder sogar Tausende von Elektronen erzeugt. Oberhalb der Durchbruchsspannung ist die Beschleunigung der Ladungsträger hoch genug, um die Lawine am Leben zu erhalten. Ein einziges Photon kann ausreichen, um einen konstanten Strom zu erzeugen, der mit externen elektronischen Geräten gemessen werden kann.
Auswahl der richtigen APD
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APDs werden im Allgemeinen für Anwendungen mit sehr hoher Bandbreite empfohlen oder wenn eine interne Verstärkung erforderlich ist, um das sekundäre Verstärkerrauschen zu überwinden.
Die folgenden Punkte müssen bei der Auswahl berücksichtigt werden:
Spektraler Arbeitsbereich:
APDs sind im Bereich von 300 nm bis 1700 nm erhältlich. Silizium-APDs sind je nach Struktur zwischen 300 nm und 1100 nm, Germanium zwischen 800 nm und 1600 nm und InGaAs von 900 nm bis 1700 nm geeignet.
Silizium bietet die umfangreichste APD-Produktpalette. Je nach Herstellungsprozess können verschiedene Parameter erreicht werden, die für die einzelnen Anwendungen Vorteile bieten. Eine Übersicht über die wichtigsten Spezifikationen findet sich in Tabelle 1.
Im Vergleich zu Germanium-APDs haben InGaAs-APDs ein deutlich geringeres Rauschverhalten, eine höhere Bandbreite bezogen auf die aktive Fläche und Vorteile durch den erweiterten Spektralbereich bis 1700 nm. Ein Nachteil ist, dass InGaAs-APDs teurer sind als Ge-APDs. Germanium wird daher vor allem für kostensensitive Anwendungen oder in Systemen empfohlen, die elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind und bei denen das Rauschen des Sekundärverstärkers deutlich höher ist.
Region "Absorption": groß
Region "Multiplikation": groß
Typische Größe (Durchmesser): bis zu 16 nm
Verstärkung: 50 bis 1000
Faktor "Überschüssiges Rauschen": sehr gut (k= 0,0015)
Betriebsspannung: 500 bis 2000 V
Anstiegszeit: langsam
Kapazität: klein
Blauempfindlich (400 nm): gut
Rot-empfindlich (650 nm): gut
NIR-Empfindlichkeit (905 nm): sehr gut
Bereich "Absorption": niedrig
Bereich "Vermehrung": gering
Typische Größe (Durchmesser): bis zu 5 mm
Verstärkung: 1 bis 100
"Rauschüberschussfaktor: gut (k = 0,03)
Betriebsspannung: 80 bis 300 V
Anstiegszeit: schnell
Kapazität: groß
Blue sensitive (400 nm): poor
Red sensitive (650 nm): good
NIR sensitive (905 nm): good
Region "Absorption": mittel bis groß
Bereich "Vermehrung": mittel bis groß
Typische Größe (Durchmesser): bis zu 5 mm
Verstärkung: 15 bis 300
"Rauschunterdrückungsfaktor: gut bis sehr gut (k = 0,02 bis 0,002)
Betriebsspannung: 150 bis 500 V
Anstiegszeit: schnell
Kapazität: klein
Blue sensitive (400 nm): poor
Red sensitive (650 nm): good
NIR sensitive (905 nm): very good
Detektorfläche:
Es liegt auf der Hand, dass APDs mit kleiner Fläche wirtschaftlicher sind als größere Detektoren, da mehr Chips pro Wafer hergestellt werden können. Daher sollte zunächst die Mindestgröße der aktiven Fläche bestimmt werden, die zur Realisierung der optischen Struktur erforderlich ist. Manchmal kann es von Vorteil sein, eine etwas größere APD zu verwenden, da eine spezielle Optik zur Fokussierung auf einen kleinen Fleck teurer sein kann als der Aufpreis für eine größere APD.
Bandbreite und Rauschen:
Um die Effizienz einer APD mit der einer PIN-Diode zu vergleichen, reicht es nicht aus, nur das Rauschen der Detektoren zu vergleichen.
Entscheidend ist das Signal-Rausch-Verhältnis des Gesamtsystems. Bei PIN-Dioden muss immer auch der jeweilige Vorverstärker berücksichtigt werden. Dessen Rauschverhalten ist u.a. frequenzabhängig. Eine APD ist einer PIN-Diode immer dann überlegen, wenn die APD den Signalpegel deutlich anheben kann, ohne das Rauschen des Gesamtsystems signifikant zu erhöhen. Daher werden APDs überall dort bevorzugt, wo geringe Lichtintensitäten bei mittleren oder hohen Frequenzen erfasst werden müssen. Die optimale interne Verstärkung wird gewählt, wenn das Detektorrauschen ungefähr gleich dem Eingangsrauschen des Sekundärverstärkers (oder des Lastwiderstands) ist, so dass die APD das Systemrauschen nicht beeinflusst. Das Rauschen nimmt mit der Bandbreite des Systems zu, sowohl bei PIN-Dioden als auch bei APDs. Daher ist es wichtig, die Bandbreite so weit wie möglich zu verringern.
APD-Anwendungen
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Wie bereits erwähnt, werden APDs überall dort eingesetzt, wo geringe Lichtintensitäten bei mittleren oder hohen Frequenzen
detektiert werden. Zu den häufigsten Anwendungen gehören:
Laser-Entfernungsmesser:
Das häufigste Einsatzgebiet von APDs ist die Entfernungsmessung, entweder im freien Raum (LIDAR) oder in einer Faser (OTDR - Optical Time Domain Reflectometers).
In Freiraum-Entfernungsmesssystemen finden sich auf der Senderseite cw-Laserdioden, gepulste Laserdioden oder Festkörperlaser, je nach Messprinzip, Reichweite und Auflösung. Die hochmodulierbaren cw-Laserdioden im sichtbaren Spektralbereich ermöglichen in Kombination mit rot-optimierten Si-APDs Messungen von bis zu mehr als hundert Metern mit einer Genauigkeit im mm-Bereich. Mit für den NIR-Bereich optimierten Si-APDs können in Kombination mit 905 nm gepulsten Laserdioden (PLDs) nach dem gepulsten Time-of-Flight-Prinzip Entfernungen von mehreren km gemessen werden. InGaAs-APDs können augensichere ns-Pulse von 1550-nm-PLDs in einer Entfernung von über 10 km detektieren.
OTDRs verwenden fasergekoppelte Laserdioden bei 1300 oder 1550 nm und benötigen daher InGaAs-APDs.
Hochgeschwindigkeits-Empfänger:
Bei der optischen Datenübertragung im freien Raum und über Glasfasern machen Anstiegs- und Abfallzeiten von 300 ps bei einer Verstärkung von bis zu 100 APDs zu den Komponenten der Wahl für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsempfängern. Kleinflächige, rauscharme InGaAs-APDs dienen als Schlüsselkomponenten für die Konstruktion hochempfindlicher Empfänger, die eine Datenübertragung über mehrere
10 - 100 km bei 12,5 Gb/s.
Einzelphotonenzählung:
Speziell ausgewählte Si-APDs können auch als Photonenzähler im ''Geiger-Modus'' (VR > VBR) eingesetzt werden, wobei ein einzelnes Photoelektron einen Lawinenimpuls von ca. 108 Ladungsträgern auslösen kann. Anwendungen für diese APDs finden sich in der Biolumineszenz, Fluoreszenzspektroskopie und Astronomie. Auch Photomultiplier-Röhren (PMT) werden in solchen Anwendungen häufig eingesetzt. Der entscheidende Vorteil der APDs ist ihre kleine, kompakte Bauform, der große Messbereich von 400 nm bis zum NIR und die unschlagbare Detektionseffizienz von bis zu 70%.
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