Un fotodiodo de avalancha ( APD ) es un detector de fotodiodos semiconductores altamente sensible que aprovecha el efecto fotoeléctrico para convertir la luz en electricidad. Desde un punto de vista funcional, pueden considerarse como el análogo semiconductor de los tubos fotomultiplicadores . El fotodiodo de avalancha fue inventado por el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa en 1952. [1] Sin embargo, el estudio de la descomposición de avalanchas, los defectos del microplasma en silicio y germanio y la investigación de la detección óptica utilizando uniones pn son anteriores a esta patente. Las aplicaciones típicas de los APD son los telémetros láser , las telecomunicaciones por fibra óptica de largo alcance y la detección cuántica para algoritmos de control. Las nuevas aplicaciones incluyen la tomografía por emisión de positrones y la física de partículas .
Al aplicar un alto voltaje de polarización inversa (normalmente 100-200 V en silicio ), los APD muestran un efecto de ganancia de corriente interna (alrededor de 100) debido a la ionización por impacto ( efecto avalancha ). Sin embargo, algunos APD de silicio emplean técnicas de dopaje y biselado alternativas en comparación con los APD tradicionales que permiten aplicar un mayor voltaje (> 1500 V) antes de que se alcance la ruptura y, por lo tanto, una mayor ganancia operativa (> 1000). En general, cuanto mayor sea el voltaje inverso, mayor será la ganancia. Entre las diversas expresiones para el factor de multiplicación APD ( M ), la fórmula da una expresión instructiva
donde L es el límite de carga espacial para los electrones y es el coeficiente de multiplicación de los electrones (y los huecos). Este coeficiente depende fuertemente de la intensidad del campo eléctrico aplicado, la temperatura y el perfil de dopaje. Dado que la ganancia de APD varía mucho con la temperatura y la polarización inversa aplicadas, es necesario controlar el voltaje inverso para mantener una ganancia estable. Por lo tanto, los fotodiodos de avalancha son más sensibles en comparación con otros fotodiodos semiconductores .
Si se necesita una ganancia muy alta (10 5 a 10 6 ), los detectores relacionados con los APD llamados SPAD ( diodos de avalancha de fotón único ) se pueden usar y operar con un voltaje inverso por encima del voltaje de ruptura típico de un APD . En este caso, es necesario limitar y disminuir rápidamente la corriente de señal del fotodetector. Para este fin se han utilizado técnicas de extinción de corriente activas y pasivas. A los SPAD que operan en este régimen de alta ganancia a veces se les llama 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 pospulso sean suficientemente bajas.
En principio, se puede utilizar cualquier material semiconductor como región de multiplicación:
La aplicabilidad y utilidad de la DPA 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 de ruido oscuro son ruido en serie y 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 masivas del APD.
Otra fuente de ruido es el factor de exceso de ruido, 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 multiplique una señal y, a veces, se lo denomina "ruido de ganancia". En 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 los electrones. Para un dispositivo de multiplicación de electrones, viene dada por la tasa de ionización por impacto de huecos dividida por la tasa de ionización por impacto de electrones. Es deseable tener 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 puede obtener.
El término de ruido para un APD también puede contener un factor de Fano, que es una corrección multiplicativa aplicada al ruido de Poisson asociado con la conversión de la energía depositada por una partícula cargada en los 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 o acoplamiento débil a los estados del 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 de huecos de electrones para conservar energía; en realidad, sin embargo, la energía depositada por la partícula cargada se divide en la generación de pares de huecos de electrones, 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 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 avalanchas. [2] La capacitancia aumenta al aumentar el área del dispositivo y disminuir el espesor. Los tiempos de tránsito (tanto de electrones como de huecos) aumentan al aumentar el espesor, lo que implica un equilibrio entre capacitancia y tiempo de tránsito para el rendimiento. El tiempo de multiplicación de la avalancha por la ganancia viene dado en primer orden por el producto ganancia-ancho de banda, que es función de la estructura del dispositivo y, más especialmente .
