Un fotodiodo de avalancha ( APD ) es un tipo de fotodiodo altamente sensible , que en general son diodos semiconductores que convierten la luz en electricidad a través de la excitación entre bandas acoplada con la ionización por impacto . Los APD utilizan materiales y una estructura optimizada para operar con alta polarización inversa , acercándose al voltaje de ruptura inversa , de modo que los portadores de carga generados por el efecto fotoeléctrico se multiplican por una ruptura de avalancha ; por lo tanto, se pueden usar para detectar cantidades relativamente pequeñas de luz.
Desde un punto de vista funcional, pueden considerarse como el análogo semiconductor de los tubos fotomultiplicadores ; a diferencia de las células solares, no están optimizados para generar electricidad a partir de la luz, sino para detectar fotones entrantes. Las aplicaciones típicas de los APD son los telémetros láser , las telecomunicaciones de fibra óptica de largo alcance , la tomografía por emisión de positrones y la física de partículas .
El fotodiodo de avalancha fue inventado por el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa en 1952. [1] Sin embargo, el estudio de la ruptura por avalancha, los defectos de microplasma en silicio y germanio y la investigación de la detección óptica utilizando uniones pn son anteriores a esta patente.
Los fotodiodos generalmente funcionan mediante ionización por impacto , por lo que un fotón proporciona la energía para separar los portadores de carga en el material semiconductor en un par positivo y negativo, lo que puede causar un flujo de carga a través del diodo. Al aplicar un alto voltaje de polarización inversa , cualquier efecto fotoeléctrico en el diodo se puede multiplicar por el efecto de avalancha . Por lo tanto, se puede pensar que el APD aplica un efecto de alta ganancia a la fotocorriente inducida.
En general, cuanto mayor sea el voltaje inverso, mayor será la ganancia. Un APD de silicio estándar puede soportar típicamente entre 100 y 200 V de polarización inversa antes de la ruptura, lo que genera un factor de ganancia de alrededor de 100. Sin embargo, al emplear técnicas alternativas de dopaje y biselado (estructural) en comparación con los APD tradicionales, es posible crear diseños en los que se puede aplicar un mayor voltaje (> 1500 V) antes de que se alcance la ruptura y, por lo tanto, se logra una mayor ganancia operativa (> 1000).
Entre las diversas expresiones para el factor de multiplicación APD ( M ), una expresión instructiva viene dada por la fórmula
donde L es el límite de carga espacial para los electrones y es el coeficiente de multiplicación para los electrones (y los huecos). Este coeficiente tiene una fuerte dependencia de la intensidad del campo eléctrico aplicado, la temperatura y el perfil de dopaje. Dado que la ganancia de APD varía fuertemente con la polarización inversa aplicada y la temperatura, es necesario monitorear de cerca el voltaje inverso para mantener una ganancia estable.
Si se necesita una ganancia muy alta (10 5 a 10 6 ), se pueden utilizar detectores relacionados con los APD llamados SPAD ( diodos de avalancha de fotón único ) y operar con un voltaje inverso por encima del voltaje de ruptura de un APD típico . En este caso, el fotodetector necesita tener su corriente de señal limitada y disminuida rápidamente. Se han utilizado técnicas de extinción de corriente activa y pasiva para este propósito. Los SPAD que operan en este régimen de alta ganancia a veces se denominan en modo Geiger. Este modo es particularmente útil para la detección de fotón único, siempre que la tasa de eventos de conteo oscuro y la probabilidad de pospulsación sean suficientemente bajas.
En principio, cualquier material semiconductor puede utilizarse como región de multiplicación:
Los APD a menudo no se construyen como uniones pn simples , sino que tienen diseños más complejos como p+-ip-n+. [6]
La aplicabilidad y utilidad del APD depende de muchos parámetros. Dos de los factores más importantes son: la eficiencia cuántica , que indica qué tan bien se absorben los fotones ópticos incidentes y luego se utilizan para generar portadores de carga primarios; y la corriente de fuga total, que es la suma de la corriente oscura, la fotocorriente y el ruido. Los componentes electrónicos del ruido oscuro son el ruido en serie y el ruido en paralelo. El ruido en serie, que es el efecto del ruido de disparo , es básicamente proporcional a la capacitancia del APD, mientras que el ruido en paralelo está asociado con las fluctuaciones de las corrientes oscuras superficiales y en masa del APD.
Otra fuente de ruido es el factor de ruido excesivo, ENF. Es una corrección multiplicativa aplicada al ruido que describe el aumento del ruido estadístico, específicamente el ruido de Poisson, debido al proceso de multiplicación. El ENF se define para cualquier dispositivo, como tubos fotomultiplicadores, fotomultiplicadores de estado sólido de silicio y APD, que multiplica una señal, y a veces se lo denomina "ruido de ganancia". Con una ganancia M , se denota por ENF( M ) y a menudo se puede expresar como
donde es la relación entre la tasa de ionización por impacto de huecos y la de electrones. Para un dispositivo de multiplicación de electrones, se obtiene dividiendo la tasa de ionización por impacto de huecos por la tasa de ionización por impacto de electrones. Es deseable que haya una gran asimetría entre estas tasas para minimizar ENF( M ), ya que ENF( M ) es uno de los principales factores que limitan, entre otras cosas, la mejor resolución energética posible que se pueda obtener.
El término de ruido para un APD también puede contener un factor Fano, que es una corrección multiplicativa aplicada al ruido de Poisson asociado con la conversión de la energía depositada por una partícula cargada en pares electrón-hueco, que es la señal antes de la multiplicación. El factor de corrección describe la disminución del ruido, en relación con las estadísticas de Poisson, debido a la uniformidad del proceso de conversión y la ausencia de, o un acoplamiento débil a, estados de baño en el proceso de conversión. En otras palabras, un semiconductor "ideal" convertiría la energía de la partícula cargada en un número exacto y reproducible de pares electrón-hueco para conservar la energía; en realidad, sin embargo, la energía depositada por la partícula cargada se divide en la generación de pares electrón-hueco, la generación de sonido, la generación de calor y la generación de daño o desplazamiento. La existencia de estos otros canales introduce un proceso estocástico, donde la cantidad de energía depositada en cualquier proceso individual varía de un evento a otro, incluso si la cantidad de energía depositada es la misma.
La física subyacente asociada con el factor de exceso de ruido (ruido de ganancia) y el factor Fano (ruido de conversión) es muy diferente. Sin embargo, la aplicación de estos factores como correcciones multiplicativas al ruido de Poisson esperado es similar. Además del exceso de ruido, existen límites al rendimiento del dispositivo asociados con la capacitancia, los tiempos de tránsito y el tiempo de multiplicación de avalancha. [2] La capacitancia aumenta con el aumento del área del dispositivo y la disminución del espesor. Los tiempos de tránsito (tanto de electrones como de huecos) aumentan con el aumento del espesor, lo que implica un equilibrio entre la capacitancia y el tiempo de tránsito para el rendimiento. El tiempo de multiplicación de avalancha por la ganancia se da en primer orden por el producto de la ganancia por el ancho de banda, que es una función de la estructura del dispositivo y, más especialmente , .
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