AvalancheFotodioden

Avalanchefotodioden, kurz APD, sind lichtempfindliche Halbleiterbauelemente, die das Prinzip der Avalanche-Multiplikation nutzen, um den erzeugten Photostrom intern zu verstärken. Sie werden reverse-biased betrieben und erreichen nahe dem Durchbruch eine avalancheartige Ladungsvervielfachung, was die Empfindlichkeit deutlich erhöht.

APDs arbeiten typischerweise in zwei Betriebsarten. Im linearen Modus (linear-APD) wird die Verstärkung durch die Bias-Spannung kontrolliert und der Ausgangsstrom analog verstärkt. Im Geiger-Modus (G-APD oder SPAD) wird bei ausreichender Photonenabsorption eine einzelne Avalanche ausgelöst, wodurch digitale Pulse entstehen; nach dem Ereignis muss die Diode durch Quench-Schaltungen wieder "gestoppt" und bereit gemacht werden.

Aufbau, Materialien und Strukturen unterscheiden APDs. Es gibt Systeme mit getrennten Absorptions- und Avalanche-Schichten (SAM-APD) sowie PIN-Strukturen. Materialien reichen von Silizium für sichtbares bis nahe Infrarot (bis etwa 1 µm) bis zu InP- bzw. InGaAs-basierten APDs für längere Wellenlängen (bis ca. 1,6 µm). Der Verstärkungsbereich variiert je nach Struktur, typischerweise von wenigen bis mehreren Hundert, im Geiger-Modus auch in den Bereichen Tausend. Dunkelrauschen, Nachblitzen und Nachzählfehler beeinflussen die Leistung, insbesondere bei SPAD-Arrays.

Typische Kennzahlen umfassen Responsivity, Verstärkung, Dunkelstrom, Breakthrough-Spannung, Nachblitz- und Nachzählfehler sowie Quench-Verfahren. Kühlung wird häufig eingesetzt, um Dunkelstrom und Rauschen zu senken. In der Praxis erfordern APDs spezialisierte Quench-Schaltungen, besonders im Geiger-Modus.

Anwendungen finden sich in der optischen Kommunikation, in LIDAR-Systemen, in der Fluoreszenzmikroskopie und Nuklear- bzw. Strahlungsdetektion, wo hohe Empfindlichkeit und zeitliche Auflösung gefragt sind.