Diodă fotodetector cu un singur foton

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Exemplu simplificat al structurii unui SPAD

O diodă fotodetector cu un singur foton ( SPAD ) este un fotodetector cu stare solidă cu un diametru cuprins între câțiva µm și sute de µm.

Este o diodă , realizată prin intermediul unei joncțiuni PN , proiectată să fie polarizată invers pe lângă tensiunea nominală de avarie [1] . În această stare dispozitivul se află într-o stare instabilă: curentul este practic zero, în timp ce câmpul electric prezent în zona de încărcare spațială este deosebit de ridicat.

Orice foton absorbit de dispozitiv poate genera o pereche electron - gaură [2] . Dacă o sarcină liberă astfel generată ajunge în zona de încărcare spațială (zona activă), câmpul electric ridicat ar putea-o accelera pentru a atinge și a depăși (de-a lungul drumului liber ) energia de ionizare a materialului în sine. Coliziunea acestei încărcături cu rețeaua materialului ar putea genera încărcări suplimentare (perechi electron-gaură) care, la rândul lor, pot contribui la generarea de sarcini suplimentare, declanșând astfel un așa-numit proces de „avalanșă” [2] . Semnalul de curent rezultat este macroscopic (de obicei în ordinea mA) și este corelat cu absorbția fotonului care a generat avalanșa [1] .

Rețineți că zona sensibilă este de obicei mai mare decât zona de încărcare spațială: chiar și o sarcină generată în afara zonei de încărcare spațială poate, prin migrare și / sau difuzie , să o atingă, dând naștere unei avalanșe. [2]

Eficiența detectării

Exemplu de eficiență cuantică în funcție de lungimea de undă și supratensiune incidentă.

Eficiența de detectare este de obicei legată de produsul eficienței optice și de eficiența declanșatoare a avalanșei [3] .

Eficiența optică este produsul procentului de lumină transmisă în interiorul fotodetectorului prin probabilitatea ca lumina să fie efectiv absorbită de materialul din zona sensibilă [3] , în timp ce eficiența aprinderii este probabilitatea ca un foton absorbit în zona sensibilă poate da naștere de fapt unei avalanșe [3] .

De obicei, curbele de eficiență ale dispozitivelor SPAD au o puternică dependență de lungimea de undă a radiației incidente [1] [4] [2] și de tensiunea de polarizare [2] a dispozitivului în sine: cu cât este mai mare tensiunea, cu atât este mai mare eficiența de aprindere [2] .

Rezolutie temporala

Exemplu de dependență actuală de rezoluție frontală și de timp în funcție de pragul de achiziție.

Semnalul generat de un fotodetector SPAD este de obicei un impuls de curent cu o margine ascendentă extrem de abruptă. Acest lucru permite obținerea de semnale capabile să indice sosirea fotonului cu o rezoluție temporală ridicată (de la câteva zeci la câteva sute de picosecunde) [2] . Creșterea avalanșei, deci și rezoluția temporală, depinde considerabil de tensiunea de polarizare [2] și de pragul de citire a semnalului curent [1] .

Managementul avalanșelor

Odată declanșată avalanșa, dioda nu mai este capabilă să detecteze alți fotoni. Pentru a reseta dispozitivul, făcându-l din nou sensibil, avalanșa trebuie oprită. Acest lucru poate fi realizat prin polarizarea dispozitivului la o tensiune inversă mai mică decât tensiunea de avarie , astfel încât curentul de avalanșă să poată fi stins. Această operație este denumită de obicei stingere [2] .

Odată ce curentul a fost redus la zero, dioda poate fi readusă la tensiunea de polarizare dorită ( resetare ). Este posibil să se efectueze stingerea avalanșei cu un rezistor simplu (stingere pasivă) sau cu un dispozitiv special conceput (stingere activă) indicat cu acronimul AQC ( circuit de stingere activ ) [2] .

Oprirea pasivă este ușor de realizat, dar de obicei durează mult timp pentru a reîncărca capacitatea de joncțiune la tensiunea de polarizare dorită [1] . Pe de altă parte, o oprire activă permite oprirea avalanșei (faza de stingere ) imediat ce este detectată (faza de detectare ), reducând astfel sarcina totală care traversează joncțiunea PN. În cazul unei opriri active, faza de resetare este de obicei mai rapidă decât cu resetarea pasivă [1] [2] .

Pentru a exploata caracteristicile fotodetectorilor SPAD, este deosebit de important să se reducă atât timpul de stingere a avalanșei (pentru a reduce disiparea), cât și timpul de recuperare a tensiunii de polarizare (pentru a reduce timpul în care dispozitivul nu are încă caracteristicile de rezoluție temporală. Și eficiența obligatoriu) [1] . Diodele SPAD au tensiuni de rupere de la câteva zeci la câteva sute de volți [2] . Aceasta înseamnă că curentul care curge prin dioda avalanșă poate produce o disipare ridicată care poate distruge și dioda însăși. În ceea ce privește faza de resetare , o resetare rapidă permite restabilirea promptă a caracteristicilor dispozitivului: eficiența și rezoluția temporală a dispozitivului depind de fapt de tensiunea de polarizare [2] , în special de diferența dintre tensiunea de polarizare și defecțiune tensiune [2] .

Limitări ale SPAD-urilor

Saturare

Folosind un AQC este posibil să se definească așa-numitul „ timp mort ”, adică distanța minimă dintre două detecții consecutive [5] [6] . Fiecare avalanșă generează deci un timp în care dispozitivul nu este sensibil la niciun foton incident. Acest lucru duce la un fenomen de saturație: de fapt, cu cât este mai mare cantitatea de lumină detectată, cu atât este mai scurt timpul în care dispozitivul este de fapt sensibil la lumină.

Întuneric

Statistic, avalanșele pot fi generate din cauza sarcinilor obținute prin generarea termică [7] . Acest lucru creează o serie de evenimente statistice în unitatea de timp care nu este legată de lumină și care are de obicei o puternică dependență de temperatura dispozitivului în sine. Pentru a îmbunătăți stabilitatea și performanța, dispozitivele SPAD sunt de obicei răcite de exemplu de celule Peltier [8] .

Dinamica

Numărul de întuneric și saturație plasează limite asupra intensității minime și maxime a luminii detectabile de SPAD și, prin urmare, asupra dinamicii [9] semnalului optic măsurabil.

După pulsare

În timpul fazei de oprire, chiar dacă curentul este anulat, unele încărcături pot rămâne prinse în zona sensibilă și, dacă sunt eliberate după ce dispozitivul a fost repolarizat, pot genera numărări întunecate în funcție de avalanșele anterioare [7] [1] .

Acest fenomen cunoscut sub numele de post-pulsare este dependent de temperatură și de timpul mort, în special crește prin reducerea timpului în care dispozitivul este ținut oprit după o avalanșă [7] .

Numărare , sincronizare și aplicații

Dispozitivele SPAD pot fi decisive în aplicațiile cu un singur foton, unde semnalele luminoase sunt deosebit de slabe, cum ar fi FLIM [10] [11] , FRET [11] și microscopie, unde cifrele importante ale meritului sunt eficiența și numărurile reduse de întuneric [12] .

Având în vedere rezoluția temporală ridicată și dinamica ridicată realizată [9] cu AQC-uri din ce în ce mai rapide [13] , SPAD-urile sunt fundamentale pentru sistemele care necesită măsurători ale semnalelor slabe suprapuse pe semnale deosebit de intense pentru reconstrucția imaginilor 3D, cum ar fi exemplul în sistemele LiDAR [14] .

Notă

  1. ^ a b c d e f g h Laborator cu diode de avalanșă cu foton unic SPADLab ( PDF ), pe home.deib.polimi.it .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n ( EN ) S. Cova, M. Ghioni și A. Lacaita, Fotodioduri de avalanșă și circuite de stingere pentru detectarea unui singur foton , în Optica aplicată , vol. 35, nr. 12, 20 aprilie 1996, p. 1956, DOI : 10.1364 / AO.35.001956 . Adus de 03 iulie 2019.
  3. ^ a b c Un model computațional al unui senzor de diodă valancă cu un singur foton pentru imagini tranzitorii ( PDF ), pe arxiv.org .
  4. ^ Xavier Michalet, Antonino Ingargiola și Ryan A. Colyer, Silicon Photon-Counting Avalanche Diodes for Single-Molecule Fluorescence Spectroscopy , în IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics , vol. 20, nr. 6, 2014-11, pp. 248-267, DOI : 10.1109 / JSTQE.2014.2341568 . Adus de 03 iulie 2019.
  5. ^ (EN) Mario Stipcevic, Bradley G. Christensen și Paul G. Kwiat, Circuit avansat de stingere activă pentru criptografie cuantică ultrarapidă , în Optics Express, vol. 25, nr. 18, 4 septembrie 2017, p. 21861, DOI : 10.1364 / OE.25.021861 . Adus de 03 iulie 2019.
  6. ^ F. Zappa, M. Ghioni și S. Cova, Un circuit integrat de stingere activă pentru diode de avalanșă cu un singur foton , în IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , vol. 49, nr. 6, decembrie / 2000, pp. 1167-1175, DOI : 10.1109 / 19.893251 . Adus de 03 iulie 2019.
  7. ^ a b c ( EN ) Michael Hofbauer, Bernhard Steindl și Horst Zimmermann, Dependența de temperatură a ratei de numărare a întunericului și după pulsarea unei diode de avalanșă cu un singur foton cu un circuit de stingere activ integrat în CMOS de 0,35 μm , în Journal of Sensors , vol. 2018, 2 iulie 2018, pp. 1-7, DOI : 10.1155 / 2018/9585931 . Adus de 03 iulie 2019.
  8. ^ (EN) P. Peronio, I. și M. Labanca Ghioni, Note: Control cu ​​gamă largă de funcționare pentru răcitoare termoelectrice , în Revista instrumentelor științifice, vol. 88, nr. 11, 2017-11, p. 116102, DOI : 10.1063 / 1.5000117 . Adus de 04 iulie 2019.
  9. ^ a b Francesco Ceccarelli, Giulia Acconcia și Ivan Labanca, Gama dinamică de 152 dB cu o diodă de avalanșă cu foton unic, cu tehnologie personalizată , în IEEE Photonics Technology Letters , vol. 30, n. 4, 15 februarie 2018, pp. 391-394, DOI : 10.1109 / LPT.2018.2792781 . Adus de 03 iulie 2019.
  10. ^ Heinlein, Thomas., Entwicklung von Methoden zur Struktur- und Funktionsaufklärung in lebenden und fixierten Zellen auf Einzelmolekülniveau mittels Koinzidenzanalyse und spektral-aufgelöster Fluoreszenzlebensdauermikroskopie structure of the molecula și microscopie imagistică cu fluorescență rezolvată spectral (SFLIM) ,OCLC 723282943 . Adus de 03 iulie 2019.
  11. ^ a b James A Levitt, Daniel R Matthews și Simon M Ameer-Beg, Fluorescența durată și imagistica rezolvată de polarizare în biologia celulară , în Current Opinion in Biotechnology , vol. 20, nr. 1, 1 februarie 2009, pp. 28-36, DOI : 10.1016 / j.copbio.2009.01.004 . Adus de 03 iulie 2019.
  12. ^ Ivan Michel Antolovic, Samuel Burri și Claudio Bruschini, imagini SPAD pentru microscopie de localizare super rezoluție permit analiza clipirii rapide a fluoroforului , în Scientific Reports , vol. 7, nr. 1, 13 martie 2017, DOI : 10.1038 / srep44108 . Adus de 03 iulie 2019.
  13. ^ (EN) Acconcia G., I. și I. Labanca Rech, Note: Circuit de stingere activ complet integrat și obținerea ratei de numărare de 100 MHz cu tehnologie personalizată diode de avalanșă cu foton unic , în Review of Scientific Instruments, vol. 88, nr. 2, 2017-2, p. 026103, DOI : 10.1063 / 1.4975598 . Adus de 03 iulie 2019.
  14. ^ (EN) Maik Beer, Jan Haase și Jennifer Ruskowski, Respingerea luminii de fundal în senzorii SPAD LiDAR de Adaptive Photon Coincidence Detection , în Sensors, vol. 18, nr. 12, 8 decembrie 2018, p. 4338, DOI : 10.3390 / s18124338 . Adus de 03 iulie 2019.

Elemente conexe

linkuri externe

  • SiSPAD , pe home.deib.polimi.it .
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Diodo_fotorivelatore_a_singolo_fotone&oldid=121933540 ”