Fotodiode mit interner Signalverstärkung durch Avalanche-Verfahren. Avalanche-Fotodioden sind Halbleiter-Lichtdetektoren (Fotodioden), die bei relativ hohen Sperrspannungen (normalerweise im Zehn- oder sogar Hunderten-Volt-Bereich) arbeiten, die manchmal nur geringfügig unter dem Schwellenwert liegen. In diesem Bereich werden die durch die absorbierenden Photonen angeregten Ladungsträger (Elektronen und Löcher) durch ein starkes internes elektrisches Feld beschleunigt und erzeugen dann sekundäre Ladungsträger, was in Photovervielfacherröhren häufig der Fall ist. Der Lawinenprozess läuft nur über eine Distanz von wenigen Mikrometern ab und der Photostrom kann um ein Vielfaches verstärkt werden. Daher können Lawinenfotodioden als sehr empfindliche Detektoren verwendet werden, die weniger elektronische Signalverstärkung und daher weniger elektronisches Rauschen erfordern. Allerdings machen das dem Lawinenprozess inhärente Quantenrauschen und Verstärkerrauschen die zuvor genannten Vorteile zunichte. Das additive Rauschen kann quantitativ durch die additive Rauschzahl F beschrieben werden. Dabei handelt es sich um einen Faktor, der den Anstieg der elektronischen Rauschleistung im Vergleich zu einem idealen Fotodetektor charakterisiert. Es ist zu beachten, dass der Verstärkungsfaktor und die effektive Reaktionsfähigkeit des APD stark von der Sperrspannung abhängen und die entsprechenden Werte verschiedener Geräte unterschiedlich sind. Daher ist es üblich, einen Spannungsbereich zu charakterisieren, in dem alle Geräte ein bestimmtes Ansprechverhalten erreichen. Die Detektionsbandbreite von Lawinendioden kann vor allem aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit sehr hoch sein, was den Einsatz kleinerer Shunt-Widerstände als bei normalen Fotodioden ermöglicht. Im Allgemeinen sind die Rauscheigenschaften der APD bei hoher Erkennungsbandbreite besser als bei einer gewöhnlichen PIN-Fotodiode, und bei geringerer Erkennungsbandbreite sind die PIN-Fotodiode und ein rauscharmer Schmalbandverstärker besser. Je höher der Verstärkungsfaktor, desto höher ist die zusätzliche Rauschzahl, die durch die Erhöhung der Sperrspannung erzielt wird. Daher wird die Sperrspannung normalerweise so gewählt, dass das Rauschen des Multiplikationsprozesses ungefähr dem des elektronischen Verstärkers entspricht, da dadurch das Gesamtrauschen minimiert wird. Die Größe des additiven Rauschens hängt von vielen Faktoren ab: der Größe der Sperrspannung, den Materialeigenschaften (insbesondere dem Ionisationskoeffizientenverhältnis) und dem Gerätedesign. Lawinendioden auf Siliziumbasis sind im Wellenlängenbereich von 450–1000 nm empfindlicher (manchmal können sie 1100 nm erreichen), und die höchste Empfindlichkeit liegt im Bereich von 600–800 nm, d. h. die Wellenlänge in diesem Wellenlängenbereich ist geringfügig kleiner als der von Si-Pin-Dioden. Der Multiplikationsfaktor (auch Verstärkung genannt) von Si-APDs variiert je nach Gerätedesign und angelegter Sperrspannung zwischen 50 und 1000. Für längere Wellenlängen erfordern APDs Germanium- oder Indiumgalliumarsenidmaterialien. Sie haben kleinere Strommultiplikationsfaktoren zwischen 10 und 40. InGaAs-APDs sind teurer als Ge-APDs, haben aber bessere Rauscheigenschaften und eine höhere Erkennungsbandbreite. Zu den typischen Anwendungen von Lawinenfotodioden gehören Empfänger in der Glasfaserkommunikation, Entfernungsmessung, Bildgebung, Hochgeschwindigkeits-Laserscannern, Lasermikroskopen und optischer Zeitbereichsreflektometrie (OTDR).
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