Eine Lawinenfotodiode (APD) arbeitet nach dem Prinzip des Lawineneffekts, der die Empfindlichkeit herkömmlicher Fotodioden erhöht. Wenn Photonen auf das Halbleitermaterial einer APD treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. In einer Standard-Fotodiode tragen diese Elektron-Loch-Paare direkt zum Fotostrom bei. Im Gegensatz dazu ist bei einer APD das Halbleitermaterial so konstruiert, dass an es eine hohe Sperrvorspannung angelegt wird. Diese hohe Spannung erzeugt ein starkes elektrisches Feld im Verarmungsbereich der APD.
Der Lawineneffekt in einer Fotodiode bezieht sich auf das Phänomen, bei dem ein einzelnes Elektron-Loch-Paar, das durch einfallende Photonen erzeugt wird, durch Stoßionisation eine Kaskade sekundärer Elektron-Loch-Paare auslösen kann. Dies geschieht, wenn ein Elektron oder Loch durch das starke elektrische Feld genügend kinetische Energie erhält, um bei der Kollision mit den Halbleiteratomen zusätzliche Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Dieser Vervielfachungsprozess erhöht die Anzahl der Ladungsträger erheblich und verstärkt den von der Fotodiode als Reaktion auf Licht erzeugten Fotostrom.
Der Funktionsmechanismus einer Fotodiode besteht darin, dass ihr Halbleitermaterial Lichtphotonen absorbiert, die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband anregen und so Elektron-Loch-Paare erzeugen. Diese Ladungsträger tragen zu einem Fotostrom bei, wenn die Fotodiode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist oder wenn die erzeugten Ladungsträger von einem externen elektrischen Feld in Rückwärtsrichtung weggespült werden. Der resultierende Strom ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, wodurch Fotodioden für die Erkennung und Umwandlung von Lichtsignalen in elektrische Signale in verschiedenen Anwendungen nützlich sind.
Der Hauptunterschied zwischen einer Fotodiode und einer Lawinenfotodiode (APD) liegt in ihrer Empfindlichkeit und Verstärkungsfähigkeit. Eine Fotodiode arbeitet linear, wobei der erzeugte Fotostrom direkt proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Im Gegensatz dazu nutzt eine APD den Lawineneffekt, um den Photostrom intern zu verstärken. Diese Verstärkung ermöglicht es APDs, im Vergleich zu Standard-Fotodioden eine höhere Empfindlichkeit und geringere Rauscheigenschaften zu erreichen. APDs sind besonders nützlich in Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern, wie z. B. optische Kommunikation über große Entfernungen und Erkennungsszenarien bei schlechten Lichtverhältnissen.
Trotz ihrer Vorteile haben Avalanche-Photodioden (APDs) mehrere Nachteile. Ein wesentlicher Nachteil ist ihr höherer Rauschpegel im Vergleich zu Standard-Fotodioden. Der Avalanche-Multiplikationsprozess führt aufgrund statistischer Schwankungen im Multiplikationsprozess selbst zu übermäßigem Rauschen. Dieses Rauschen kann bei bestimmten Anwendungen die Erkennungsempfindlichkeit einschränken. Darüber hinaus benötigen APDs eine höhere Betriebsspannung, da zur Auslösung des Lawineneffekts ein starkes elektrisches Feld erforderlich ist, was das Schaltungsdesign erschweren und den Stromverbrauch erhöhen kann. Ein weiterer Gesichtspunkt sind ihre Kosten, da APDs aufgrund ihrer speziellen Herstellung und höheren Leistungsanforderungen in der Regel teurer sind als herkömmliche Fotodioden.
