فتودیود بهمنی (Avalanche Photodiode - APD)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
فتودیود بهمنی (Avalanche Photodiode - APD) :
فتودیود بهمنی یا APD (Avalanche Photodiode) یک نوع فتودیود بسیار حساس است که از پدیده شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) برای ایجاد بهره داخلی (Internal Gain) استفاده می کند. این بهره داخلی به APD اجازه می دهد تا نورهای بسیار ضعیف (حتی در حد چند فوتون) را تشخیص دهد. APDها در کاربردهایی مانند مخابرات نوری راه دور، لیدار (LiDAR)، و طیف سنجی کاربرد گسترده ای دارند.
ساختار APD شبیه فتودیود PIN است، اما با یک تفاوت کلیدی: در APD، ولتاژ بایاس معکوس بسیار بالا (نزدیک به ولتاژ شکست) اعمال می شود. در این شرایط، میدان الکتریکی در ناحیه تهی آنقدر قوی است که حامل های تولید شده توسط نور (الکترون ها و حفره ها) هنگام حرکت، انرژی کافی برای یونیزه کردن اتم های شبکه و ایجاد جفت الکترون-حفره جدید را کسب می کنند. این فرآیند زنجیره ای (یونیزاسیون برخوردی - Impact Ionization) باعث تکثیر حامل ها و ایجاد بهمن می شود.
بهره داخلی (Gain) APD که با M نشان داده می شود، نسبت جریان خروجی کل به جریان نوری اولیه است. بهره می تواند از چند ده تا چند صد متغیر باشد. رابطه بهره با ولتاژ به صورت
\[ M = \frac{1}{1 - \left(\frac{V}{V_{BR}}\right)^n} \]یا روابط مشابهی بیان می شود، که در آن
\[ V \]ولتاژ بایاس،
\[ V_{BR} \]ولتاژ شکست، و
\[ n \]ثابتی وابسته به ماده و ساختار است. با نزدیک شدن ولتاژ به
\[ V_{BR} \]، بهره به شدت افزایش می یابد.
پارامتر مهم دیگر در APD، نسبت یونیزاسیون (Ionization Ratio) یا ضریب یونیزاسیون الکترون ها و حفره ها (
\[ k = \alpha_p / \alpha_n \]) است. این نسبت تأثیر زیادی بر نویز و پهنای باند APD دارد. موادی مانند سیلیکون دارای ضریب یونیزاسیون بسیار کوچکی برای حفره ها هستند که منجر به نویز کمتر و پهنای باند بالاتر می شود. InGaAs و ژرمانیوم ضریب یونیزاسیون نزدیک تری دارند و نویز بیشتری تولید می کنند.
نویز در APD یک مسئله مهم است. فرآیند بهمن ذاتا تصادفی است و باعث ایجاد نویز اضافی (Excess Noise) می شود. این نویز با فاکتور نویز اضافی (Excess Noise Factor - F) مشخص می شود که به بهره M و نسبت یونیزاسیون k وابسته است. رابطه
\[ F = kM + (1-k)(2 - \frac{1}{M}) \]یا تقریب های مشابهی برای آن وجود دارد. برای کاهش نویز، باید از موادی با k کوچک استفاده کرد و بهره را بیش از حد افزایش نداد.
پهنای باند APD نیز تحت تأثیر بهره و زمان تشکیل بهمن (Avalanche Buildup Time) قرار می گیرد. با افزایش بهره، پهنای باند کاهش می یابد. بنابراین یک مصالحه بین بهره و پهنای باند وجود دارد. در کاربردهای با سرعت بالا (مانند مخابرات نوری ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و بالاتر)، APDها باید با بهره متوسط و پهنای باند کافی طراحی شوند.
ولتاژ بایاس APDها معمولا بسیار بالاست (از چند ده ولت تا چند صد ولت) و به دما بسیار حساس است. ولتاژ شکست (Breakdown Voltage) با دما تغییر می کند (معمولا ضریب دمایی مثبت برای سیلیکون). بنابراین برای حفظ بهره ثابت در شرایط دمایی مختلف، اغلب نیاز به مدارهای تثبیت کننده ولتاژ (Bias Control Circuits) یا خنک کاری دقیق است.
مهم ترین کاربرد APD در مخابرات نوری راه دور (Long-Haul Fiber Optic Communications) است. در این کاربردها، سیگنال نوری پس از طی مسافت طولانی بسیار ضعیف می شود و APD با بهره داخلی خود می تواند این سیگنال ضعیف را بدون نیاز به تقویت کننده های نوری متعدد، تشخیص دهد. APDهای مبتنی بر InGaAs برای پنجره های مخابراتی ۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر رایج هستند.
کاربرد بسیار مهم دیگر در لیدار (LiDAR) و سیستم های مسافت یاب لیزری است. پالس های لیزر بازتاب شده از اجسام دور بسیار ضعیف هستند. APD با حساسیت بالای خود می تواند این پالس های ضعیف را تشخیص دهد و امکان اندازه گیری فاصله تا چند کیلومتر را فراهم کند. در خودروهای خودران و ربات ها، APDها در سنسورهای لیدار استفاده می شوند.
در طیف سنجی (Spectroscopy) و فلورسانس (Fluorescence) با شدت نور پایین، APDها برای تشخیص نورهای بسیار ضعیف استفاده می شوند. در آزمایش های فیزیک کوانتومی و شمارش فوتون (Photon Counting)، از APDهایی که در حالت گایگر (Geiger Mode) کار می کنند (معروف به Single-Photon Avalanche Diode - SPAD) برای شمارش تک فوتون ها استفاده می شود.
در پزشکی هسته ای و تصویربرداری پزشکی مانند PET (Positron Emission Tomography) و SPECT، از آرایه های APD برای تشخیص فوتون های ساطع شده از رادیوایزوتوپ ها استفاده می شود. حساسیت بالا و ابعاد کوچک APDها برای این کاربردها مناسب است. همچنین در ستاره شناسی برای رصد نور اجرام بسیار کم نور کاربرد دارند.
مواد سازنده APD بر اساس کاربرد متفاوت است. سیلیکون (Silicon) برای نور مرئی و نزدیک فروسرخ (تا ۱۱۰۰ نانومتر) با نویز کم و بهره بالا استفاده می شود. InGaAs/InP برای مخابرات نوری در ۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر رایج است. ژرمانیوم (Germanium) نیز برای فروسرخ استفاده می شود اما نویز بیشتری دارد. برای فرابنفش و نور مرئی با انرژی بالا، از SiC و GaN نیز استفاده می شود.
در نهایت، APDها با ارائه بهره داخلی و حساسیت بالا، امکان تشخیص نورهای بسیار ضعیف را فراهم می کنند و نقش حیاتی در مخابرات راه دور، لیدار، تصویربرداری پزشکی و تحقیقات علمی دارند. با این حال، نیاز به ولتاژ بالا، حساسیت به دما و نویز اضافی، چالش هایی هستند که در طراحی مدار و انتخاب APD باید به آنها توجه کرد.
