Eine Lawinenfotodiode (APD) ist eine Art Fotodetektor, der den Lawineneffekt nutzt, bei dem durch einfallende Photonen erzeugte Ladungsträger einer Stoßionisierung unterliegen. Wenn bei einer APD ein Photon auf das Halbleitermaterial trifft, erzeugt es ein Elektron-Loch-Paar. Unter einer hohen Sperrspannung gewinnen diese Ladungsträger genug Energie, um weitere Atome im Kristallgitter zu ionisieren, wodurch ein Kaskadeneffekt entsteht, der als Lawinenvervielfachung bekannt ist. Dies führt zu einer deutlich höheren internen Verstärkung im Vergleich zu einer Standard-Fotodiode, wodurch der anfängliche Fotostrom verstärkt wird. Diese interne Verstärkung macht APDs sehr empfindlich gegenüber Lichtsignalen geringer Intensität, sodass sie schwache optische Signale effektiver erkennen können als herkömmliche Fotodioden.
Lawinendioden sind Halbleiterbauelemente, die ähnlich wie Lawinenfotodioden funktionieren, jedoch nicht speziell für die Lichterkennung konzipiert sind. Stattdessen werden sie in der Elektronik für Anwendungen wie Spannungsregelung, Überspannungsschutz und Hochgeschwindigkeitsschalten verwendet. In einer Lawinendiode wird die Vorspannung in Sperrrichtung so eingestellt, dass über den Verarmungsbereich beschleunigte Ladungsträger einer Stoßionisierung unterliegen, was zu einem kontrollierten Lawinendurchbruch führt. Diese Eigenschaft ermöglicht es Lawinendioden, eine stabile Durchbruchspannung aufrechtzuerhalten und Schutz vor Spannungsspitzen oder Überspannungen in Schaltkreisen zu bieten.
Die Formel für Lawinenfotodioden bezieht sich auf deren Verstärkung und Betrieb bei Sperrvorspannung. Der Multiplikationsfaktor oder die Verstärkung (M) einer APD ergibt sich aus M = 1 / (1 – α), wobei α der Ionisationskoeffizient ist, der die Wahrscheinlichkeit der Stoßionisation pro Längeneinheit darstellt. Diese Formel veranschaulicht, wie der anfängliche Photostrom, der durch einfallende Photonen erzeugt wird, durch den Lawineneffekt verstärkt wird, was zu einem höheren Ausgangsstrom führt, der proportional zur Anzahl der innerhalb der APD vervielfachten Elektron-Loch-Paare ist.
Der Hauptunterschied zwischen einer Avalanche-Fotodiode (APD) und einer normalen Fotodiode liegt in ihren internen Verstärkungsmechanismen und Empfindlichkeitsstufen. Während beide Arten von Fotodioden Licht in elektrischen Strom umwandeln, verfügen APDs über eine hohe Sperrvorspannung, die eine Lawinenvervielfachung von Ladungsträgern innerhalb des Halbleitermaterials induziert. Dieser interne Verstärkungsmechanismus ermöglicht es APDs, im Vergleich zu herkömmlichen Fotodioden eine höhere Empfindlichkeit und ein geringeres Rauschen zu erreichen. Im Gegensatz dazu basieren normale Fotodioden ausschließlich auf dem photovoltaischen Effekt, bei dem einfallende Photonen Elektron-Loch-Paare erzeugen, die ohne Verstärkung direkt zum Photostrom beitragen. APDs werden daher bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, die die Erkennung schwacher optischer Signale oder Umgebungen mit wenig Licht erfordern, beispielsweise in der Telekommunikation, Spektroskopie und wissenschaftlichen Forschung.
Avalanche-Photodioden (APDs) weisen mehrere Schlüsseleigenschaften auf, die sie für bestimmte Anwendungen vorteilhaft machen. Eines der Hauptmerkmale ist ihre hohe interne Verstärkung, die durch Lawinenvervielfachung von Trägern unter einer hohen Sperrvorspannung erreicht wird. Dadurch erreichen APDs im Vergleich zu Standard-Fotodioden eine deutlich höhere Empfindlichkeit gegenüber optischen Signalen geringer Intensität. Ein weiteres Merkmal ist ihre geringe Geräuschentwicklung, die auf den internen Verstärkungsprozess zurückzuführen ist, der die Auswirkungen externer Geräuschquellen reduziert. APDs bieten außerdem hohe Bandbreitenfunktionen und eignen sich daher für optische Hochgeschwindigkeitskommunikations- und Erkennungssysteme. Allerdings erfordern APDs eine präzise Vorspannung und Temperaturkontrolle, um optimale Leistung und Stabilität aufrechtzuerhalten. Diese Eigenschaften machen APDs in ihrer Gesamtheit wertvoll für Anwendungen, bei denen die Erkennung schwacher optischer Signale mit hoher Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist.