Qué es un fotodiodo de avalancha: cómo funciona y sus aplicaciones

El fotodiodo de avalancha o APD fue diseñado por un ingeniero japonés llamado "Jun-ichi Nishizawa" en 1952. Un APD es un detector de semiconductores de alta respuesta que utiliza el efecto fotoeléctrico para convertir la luz en electricidad. En 2020, se agrega una capa de grafeno a este diodo para evitar la degradación con el tiempo para mantener estos diodos.

En los sistemas de comunicación de fibra óptica, la luz se transforma en señales eléctricas utilizando un solo componente como el fotodiodo de avalancha o APD. En el proceso de avalancha, los portadores de carga son producidos por colisiones. Un fotón similar a una partícula de luz genera muchos electrones para producir una corriente eléctrica. Este artículo presenta una descripción general de qué es el fotodiodo de avalancha y cómo funciona con las aplicaciones.

¿Qué es un fotodiodo de avalancha?

El diodo que utiliza el método de avalancha para proporcionar un rendimiento adicional sobre otros diodos se conoce como fotodiodo de avalancha.

Estos diodos se utilizan para cambiar señales de ópticas a eléctricas. Estos diodos pueden operar en alta polarización inversa. los símbolo de fotodiodo de avalancha es similar al diodo Zener.

Construcción de fotodiodos de avalancha

La construcción del fotodiodo PIN y el fotodiodo de avalancha es similar. Este diodo comprende dos regiones fuertemente dopadas y dos regiones ligeramente dopadas. Aquí, las regiones muy dopadas son P+ y N+, mientras que las regiones ligeramente dopadas son I y P.

En la región intrínseca, el ancho de la capa de empobrecimiento es bastante delgado en este diodo en comparación con el fotodiodo PIN. Aquí, la región p+ funciona como ánodo mientras que la región n+ actúa como cátodo.

Comparado con otros fotodiodos, este diodo opera en una condición de alta polarización inversa. Esto permite por tanto la multiplicación por avalancha de los portadores de carga formados por el impacto de la luz o del fotón. La acción de avalancha permite aumentar varias veces la ganancia del fotodiodo para proporcionar un alto rango de sensibilidad.

Principio de funcionamiento

La ruptura por avalancha ocurre principalmente cuando el fotodiodo está sujeto a un voltaje inverso máximo. Este voltaje aumenta el campo eléctrico más allá de la capa de agotamiento. Cuando la luz incidente ingresa a la región p+, es absorbida en la región p extremadamente resistiva y luego se generan pares electrón-hueco.

Los portadores de carga se desplazan, incluida su velocidad de saturación, hacia la región pn+ donde existe un campo eléctrico alto. Cuando la velocidad es máxima, los portadores de carga chocan con otros átomos y producen nuevos pares electrón-hueco. Un par enorme de portadores de carga dará como resultado una alta fotocorriente.

Funcionamiento del fotodiodo de avalancha

Esta operación de diodo se puede realizar en un modo totalmente agotado. Sin embargo, también pueden operar en modo Geiger además del modo de avalancha lineal. En este tipo de modo de operación, el fotodiodo puede operar a la tensión de ruptura anterior. En la actualidad, se lanza otro modo, a saber, el "modo Sub-Geiger".

Fotodiodo de avalancha en comunicación por fibra óptica

En los sistemas de comunicación por fibra óptica (OFC), los fotodiodos de avalancha se utilizan generalmente para el reconocimiento de señales débiles, pero los circuitos deben optimizarse lo suficiente para obtener una alta relación señal-ruido (S/N). Aquí está la SNR

S/N = Potencia de la fotocorriente/potencia del fotodetector + Potencia de ruido del amplificador

Para obtener la relación señal-ruido perfecta, la eficiencia cuántica debe ser alta porque este valor es casi máximo, por lo que la mayoría de las señales se notan.

Características del fotodiodo de avalancha

Los fotodiodos de avalancha son diodos de alta velocidad muy sensibles que utilizan un método de ganancia interna que funciona aplicando un voltaje inverso. En comparación con el fotodiodo tipo PIN, estos diodos miden la luz a corto alcance y se utilizan en diferentes aplicaciones donde se requiere una alta sensibilidad, como la medición de distancia óptica y la comunicación óptica de larga distancia.

Existen diferentes familias de fotodiodos de avalancha diseñados principalmente para detectar longitudes de onda cortas, de lo contrario cerca del infrarrojo.

¿Cuál es la diferencia entre el fotodiodo pin y el fotodiodo de avalancha?

los diferencia entre fotodiodo y diodo de avalancha entiende lo siguiente.

diodo de avalancha	diodo PIN
El diodo de avalancha incluye cuatro capas, como P+, I, P y N+.	El diodo PIN incluye cuatro capas como P+, I y N+.
El tiempo de respuesta es muy alto.	El tiempo de respuesta es muy bajo.
La corriente de salida es baja.	La multiplicación de la corriente portadora puede impulsar el valor de la corriente del amplificador.
La ganancia interna es de 200 dB.	La ganancia interna es insignificante.
La sensibilidad es alta.	La sensibilidad es baja.
Ruido fuerte.	Ruido bajo.
El voltaje de polarización inversa es muy alto.	El voltaje de polarización inversa es muy bajo.
Estabilidad a alta temperatura.	Estabilidad a baja temperatura.
El amplificador no es necesario debido a la ganancia disponible.	El amplificador es obligatorio debido a que la ganancia no está disponible.

¿Cuál es el tiempo de respuesta del fotodiodo de avalancha?

El fotodiodo de avalancha tiene un tiempo de respuesta rápido.

¿Cuál es la resistencia oscura del fotodiodo?

Una celda de selenio, de lo contrario, la resistencia de otro dispositivo fotoeléctrico en completa oscuridad se conoce como resistencia a la oscuridad.

¿Dónde se utilizan los diodos de avalancha?

Los diodos de avalancha se utilizan principalmente como generadores de ruido blanco y fuentes de ruido en equipos de radio. Este diodo protege el circuito contra voltajes no deseados.

¿El fotodiodo tiene polarización inversa?

Sí, tiene polarización inversa para operar en el modo fotoconductor porque cuando este diodo tiene polarización inversa, el ancho de la capa de agotamiento aumentará. Por lo tanto, esto disminuye la capacitancia de la unión y el tiempo de respuesta. La polarización inversa puede causar un tiempo de respuesta rápido para este diodo.

¿Qué son los fenómenos de avalancha y ruptura de Zener?

Avalanche y Zener Breakdown son dos mecanismos diferentes en los que se rompe una unión PN. Este mecanismo ocurre principalmente dentro del diodo en condiciones de polarización inversa. La ruptura de la avalancha se produce principalmente debido a la ionización de electrones y pares de huecos, mientras que la ruptura de Zener se produce debido a un fuerte dopaje.

Ventajas desventajas

los ventajas del fotodiodo de avalancha Incluya lo siguiente.

• El rango de sensibilidad es alto.
• Alto rendimiento.
• Tiempo de respuesta rápido.
• Estos diodos son aplicables aquí, el nivel de ganancia es muy importante ya que el alto voltaje requerido, a través de una menor confiabilidad, significa que a menudo son menos convenientes de usar.
• Detecta luz de baja intensidad.
• Un solo fotón genera una gran cantidad de pares de portadores de carga.

los desventajas del fotodiodo de avalancha Incluya lo siguiente.

• El voltaje de operación requerido es alto
• La salida de este diodo no es lineal.
• Alto rango de ruido
• No se usa regularmente debido a la baja confiabilidad.
• Utiliza polarización inversa alta para su correcto funcionamiento

Aplicaciones

los aplicaciones de fotodiodos de avalancha Incluya lo siguiente.

• Escáner LÁSER
• Puente analizador de antena
• escáner de TEP
• Lector de código de barras
• microscopía láser
• Telémetros láser
• pistola de velocidad
• Los APD se utilizan en receptores OFC (comunicaciones de fibra óptica), imágenes, detección de rango, microscopía láser, escáneres láser y OTDR (reflectómetros de dominio de tiempo óptico).
• Estos se utilizan en comunicaciones ópticas como detectores de recepción. Su amplio ancho de banda y alta sensibilidad lo harán muy famoso entre los diseñadores. Estos diodos operan a través de un voltaje inverso a través de la unión que permite que se formen pares de portadores de carga en respuesta a la radiación.

Así, se trata de una descripción general de un fotodiodo de avalancha y funciona. Es un diodo de unión PN de dos terminales que opera en la región de ruptura inversa. Estos fotodiodos incluyen una alta SNR (relación señal/ruido) en comparación con los fotodiodos PIN, respuesta rápida, alta sensibilidad y menos corriente oscura. Su rango de respuesta espectral es normalmente de 200 a 1150 nm. Aquí hay una pregunta para usted, ¿cuáles son los diferentes tipos de fotodiodo?