APD Selection Guide - Si oder InGaAs
Auswahl des richtigen APD-Materials
für die Laserentfernungsmessung
Bei der Entwicklung von Laser-Entfernungsmessern (LRF – Laser Range Finder) kann die richtige Kombination von gepulsten Laserdioden (PLDs) und Avalanche-Photodioden (APDs) die Reichweite, die Genauigkeit, die Batterielebensdauer und die Gesamtkosten verbessern.
Das Detektormaterial der APD hat einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Entfernungsmessung. Je nach den Anforderungen an maximale Reichweite, Auflösung und Augensicherheit haben die Entwickler die Wahl zwischen III-V-Verbindungen wie InGaAs- oder Silizium-basierten APDs - beide mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen. Diese müssen natürlich an die entsprechende Wellenlänge der PLDs angepasst werden, typischerweise 905nm oder 850nm für Silizium und 1550nm für InGaAs.
In dieser Ausgabe unseres LRF-Leitfadens finden Sie eine umfassende Anleitung zur Auswahl der besten Standard-APDs und zur Frage, wann Sie eine kundenspezifische Lösung in Betracht ziehen sollten
APD-Interdependenzen
Die Wahl der richtigen APD für LRF ist ein komplexes Thema. Es gibt viele Parameter, die berücksichtigt werden müssen - wie Wellenlänge, aktive Fläche, Kapazität, Anstiegszeit, Dunkelstrom, Temperatur und Gehäusebauform.
Die Herausforderung besteht darin, dass man keinen Parameter ändern kann, ohne die anderen zu beeinflussen. Wie Sie unten sehen können, bilden sie alle ein komplexes Netz von Abhängigkeiten.
Ihr Ziel muss es immer sein, das richtige Gleichgewicht zu finden, das den besten Wert für einen gewünschten Schlüsselfaktor bietet, ohne dabei erhebliche Verluste in anderen Bereichen hinnehmen zu müssen.
Systemparameter und Designüberlegungen
Wellenlänge
Je nach Systemanforderungen und Umgebungsbedingungen werden bei Laserentfernungsmessgeräten meist Sender mit zwei Wellenlängen verwendet.
- 905 nm ist in Industrie- und Verbraucheranwendungen weit verbreitet.
Durch die Verwendung von Silizium-APDs bietet sie eine gute Entfernungsgenauigkeit und niedrigere Gesamtsystemkosten. - 1550 nm ist die bevorzugte Wellenlänge für Militär, Verteidigung und hochwertige Vermessungsgeräte.
Sie bietet einen größeren Betriebsbereich als 905 nm und Augensicherheit bei allen Leistungsstufen. Darüber hinaus zeichnen sich 1550nm-Systeme durch eine geringere Empfindlichkeit gegenüber solarem Hintergrundrauschen und eine bessere Durchdringung von atmosphärischen Bedingungen wie Nebel, Regen und Staub aus.
Es liegt auf der Hand, dass das Empfindlichkeitsspektrum der APDs zu den Wellenlängen der gepulsten Laserdioden (PLD) passen muss.
905 nm - Niedriger Dunkelstrom vs. hohe Empfindlichkeit
Silizium-APDs decken einen breiten Spektralbereich vom UV bis zum nahen Infrarot ab und ermöglichen eine große Flexibilität beim Systemdesign (NIR). Dank ihres geringen Dunkelstroms und des Potenzials, sehr hohe Verstärkungswerte zu erreichen, bieten sie ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), welchen den Einsatz bei der Messung kleinster Lichtmengen ermöglicht, bis hin zur Einzelphotonenzählung.
Andererseits reagieren sie empfindlich auf die solare Hintergrundbeleuchtung, und obwohl sie höhere Verstärkungen als InGaAs-APDs erreichen können, verstärken sie auch dieses Hintergrundsignal. Eine Erhöhung der Ausgangsleistung der Laserquelle würde das Risiko mit sich bringen, dass die Sicherheitsgrenzen für die Augen überschritten werden. InGaAs-APDs sind daher nach wie vor eine gute Option.
1550 nm - InGaAs für jede Art von Witterung
InGaAs-APDs sind speziell für den Betrieb im Infrarotbereich, typischerweise zwischen 900nm und 1700nm, optimiert, während Si-APDs nicht auf Licht jenseits von 1100nm reagieren. Daher wird InGaAs als die offensichtliche Wahl für 1550nm-Systeme angesehen - insbesondere in Szenarien, die die Erkennung schwacher Signale oder Messungen mit großer Reichweite erfordern. Ihre geringere Empfindlichkeit gegenüber sichtbarer solarer Hintergrundbeleuchtung führt zu einer verbesserten Leistung in Außenumgebungen mit viel Sonnenlicht, während sie auch eine gute Durchdringung von Nebel, Regen und Staub bieten.
Weitere Überlegungen
Aktive Fläche
Die aktive Fläche einer Fotodiode hat Auswirkungen auf ihre Fähigkeit, Licht zu sammeln und zu verarbeiten. Bei der Auswahl einer APD für die Entfernungsmessung muss man immer ihre Abhängigkeit von der Kapazität des Bauelements und anderen Merkmalen, wie Dunkel- und Rauschstrom, berücksichtigen.
Im Allgemeinen bieten Silizium-APDs eine viel größere aktive Fläche, was die Gesamtempfindlichkeit erhöht und die Erfassung schwächerer Rücksignale vereinfacht. Dies ermöglicht eine höhere Messgenauigkeit, insbesondere bei einer größeren Reichweite, und ein größeres Sichtfeld (FoV – field of view). Die aktive Fläche erhöht jedoch auch die Kapazität, was wiederum das Rauschen in den elektrischen Verstärkungsschaltungen der ersten Stufe erhöht und die Reaktionszeit der APD verlangsamt. Größere Flächen führen auch zu größeren Leckströmen und wirken sich daher negativ auf das SNR (signal-noise-ratio / Signal-Rausch-Verhältnis) aus. Im Gegensatz dazu führen die typischerweise kleineren aktiven Flächen von InGaAs-APDs zu einer geringeren Kapazität, schnelleren Ansprechzeiten und höherer Bandbreite.
Daher eignen sich diese Photodioden besser für Anwendungen, die eine schnelle Erkennung und Messung von Laserimpulsen erfordern. Aber ihre viel geringere Fläche macht die Ausrichtung der Optik zur korrekten Fokussierung des Rücksignals komplexer.
Dunkel- und Rauschströme
Der Dunkelstrom in APDs bezieht sich auf den Stromfluss in Abwesenheit von einfallendem Licht. Er trägt zum allgemeinen Hintergrundrauschen bei, verringert den SNR der APD und wirkt sich auf ihre Empfindlichkeit und Leistung bei schwachem Licht aus.
Die Höhe des Dunkelstroms kann jedoch zwischen verschiedenen APD-Varianten und Herstellungsverfahren variieren. Daher ist es wichtig, die spezifischen Dunkelstrom-Spezifikationen der einzelnen APD-Modelle sowie die Anzahl der erwarteten empfangenen Photonen für die Anwendung und das gewünschte Leistungsniveau zu berücksichtigen.
Neben dem Dunkelstrom erzeugt das interne Avalanche-Phänomen selbst Rauschen, das vom Verstärkungsgrad und der Qualität der APD abhängt.
Typischerweise bieten Silizium-APDs eine geringere Rauschverstärkung und können daher im Vergleich zu InGaAs-APDs höhere nutzbare Verstärkungen erreichen. Angesichts der stärkeren solaren Hintergrundbeleuchtung und ihrer Verstärkung durch Silizium-APDs kann die Entfernungsmessung mit InGaAs oft immer noch größere Reichweiten erzielen.
Kapazität
Unter Kapazität versteht man die Fähigkeit eines Bauelements, elektrische Ladung zu speichern. Bei APDs ergibt sich die Kapazität aus der Struktur und dem Design des Bauelements, einschließlich der Dicke des Verarmungsbereichs und der damit verbundenen Sperrschichtkapazität. Die Kapazität einer APD wirkt sich auf ihre Fähigkeit aus, schnell auf Änderungen der einfallenden Lichtintensität zu reagieren, was für eine genaue Laserentfernungsmessung entscheidend ist.
Da es sich bei Silizium-APDs um ein indirektes Material handelt und daher viel dickere Übergänge erforderlich sind, weisen sie in der Regel eine geringere Übergangskapazität auf als InGaAs-APDs, die ein Material mit direkter Bandlücke sind und daher viel dünnere Schichten benötigen, um das Licht vollständig zu absorbieren, was schnellere Reaktionszeiten und geringere Signalverzerrungen ermöglicht. Dennoch muss die Wechselwirkung zwischen der aktiven Fläche und der Kapazität berücksichtigt, und beide Faktoren müssen ausgeglichen werden.
Anstiegszeit
Die Anstiegszeit einer APD bezieht sich auf die Zeit, die das Ausgangssignal benötigt, um auf eine Änderung der einfallenden Lichtintensität zu reagieren.
Die Anstiegszeit kann durch eine hohe Kapazität, eine niedrigere Bias-Spannung oder längere Wellenlängen verlangsamt werden. Es ist daher wichtig, ein Gleichgewicht zwischen diesen Faktoren zu finden. Während eine niedrige Kapazität bevorzugt wird, um schnellere Anstiegszeiten zu erreichen, muss sichergestellt werden, dass die APD immer noch eine ausreichende Empfindlichkeit und ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für genaue Entfernungsmessungen beibehält.
Gehäuse
Die Gehäusedesigns für APDs sind sehr unterschiedlich und werden zumeist durch die Anforderungen der jeweiligen Anwendung bestimmt. Die Optionen reichen von den klassischen Transistor-Outline-Gehäusen (TO) und oberflächenmontierten Bauelementen (SMD) bis hin zu Detektoren mit einem Faseranschluss. Weiter Optionen sind Gehäuse mit Linsen zur Vergrößerung des Sichtfelds oder mit integrierten Durchlassfiltern, die auf bestimmte Anwendungen und Lichtquellen abgestimmt sind. Es ist daher schwierig, allgemeine Unterschiede zwischen der Silizium- und der InGaAs-Gehäusetechnologie festzustellen.
Betriebstemperatur
Entwickler von Silizium- und InGaAs-APDs müssen die Betriebstemperaturbedingungen ihrer Systeme berücksichtigen. Erstens ändert sich die Nennbetriebsspannung, mit der eine bestimmte Verstärkung erreicht wird, in Abhängigkeit von der Temperatur bei verschiedenen Materialdicken unterschiedlich stark, wobei die Verschiebungen bei Silizium in der Regel größer sind als bei InGaAs, da das aktive Material dicker ist.
Auch die Dunkel- und Rauschströme nehmen bei höheren Temperaturen zu und umgekehrt bei kälteren Temperaturen, typischerweise um den Faktor zwei pro 8-10 Grad Celsius. Daher lohnt es sich bei einigen Anwendungen, einen thermoelektrischen Kühler (TEC) oder eine Heizung zu integrieren, um die Betriebstemperatur zu stabilisieren und so den Regelkreis zu vereinfachen, der erforderlich ist, um eine stabile Verstärkung über den gesamten Betriebstemperaturbereich aufrechtzuerhalten, auch wenn dies mit höheren Kosten verbunden ist.
Darüber hinaus verschiebt sich das Spektrum der Quanteneffizienz (Q.E.) und der Empfindlichkeit bei kälteren Temperaturen in Richtung kürzerer Wellenlängen, was dazu führen kann, dass eine Silizium-APD bei kalten Temperaturen im Bereich der Nd:YAG-Wellenlänge (1064nm) fast nicht mehr anspricht. Einige Kompromisse sind möglich, um eine quasi-thermische Reaktion mit einer geringeren Betriebsverstärkung über einen bestimmten Temperaturbereich zu erreichen, was die Komplexität der Elektronik weiter verringern kann. Es besteht auch die Gefahr, dass kein dynamischer Bereich mehr vorhanden ist, wenn die Durchbruchspannung bei kalten Temperaturen die Durchgangsspannung erreicht. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die richtigen Optionen und Gehäuse zu wählen und eine geeignete Steuerelektronik zu entwerfen, die den Anforderungen Ihrer Anwendung unter den zu erwartenden Umgebungsbedingungen gerecht wird.
Kosten
Die Kosten sind ein wichtiger Grund für die Verwendung von Silizium-APDs. Sie können auf größeren Wafern unter Verwendung etablierter Lithographie-, Metallisierungs- und Diffusionsverfahren hergestellt werden. Da es sich um eine etablierte Technologie handelt, bieten sie niedrigere Kosten pro APD. InGaAs-APDs hingegen erfordern komplexere Epitaxieverfahren auf kleineren Wafern, was ihre Stückkosten weiter erhöht.
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