Un fotodiodo de avalancha (APD) funciona según el principio del efecto de avalancha, que mejora la sensibilidad de los fotodiodos tradicionales. Cuando los fotones chocan contra el material semiconductor de un APD, generan pares electrón-hueco. En un fotodiodo estándar, estos pares electrón-hueco contribuyen directamente a la fotocorriente. Por el contrario, en un APD, el material semiconductor está diseñado para que se le aplique un alto voltaje de polarización inversa. Este alto voltaje crea un fuerte campo eléctrico dentro de la región de agotamiento del APD.
El efecto de avalancha en un fotodiodo se refiere al fenómeno en el que un único par de huecos de electrones generado por fotones incidentes puede desencadenar una cascada de pares de huecos de electrones secundarios mediante ionización por impacto. Esto ocurre cuando un electrón o un hueco gana suficiente energía cinética del fuerte campo eléctrico para crear pares electrón-hueco adicionales al colisionar con los átomos semiconductores. Este proceso de multiplicación aumenta significativamente el número de portadores de carga, amplificando la fotocorriente producida por el fotodiodo en respuesta a la luz.
El mecanismo de funcionamiento de un fotodiodo implica que su material semiconductor absorba fotones de luz, lo que excita los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, creando pares electrón-hueco. Estos portadores de carga contribuyen a una fotocorriente cuando el fotodiodo está bajo polarización directa o cuando los portadores generados son barridos por un campo eléctrico externo bajo polarización inversa. La corriente resultante es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente, lo que hace que los fotodiodos sean útiles para detectar y convertir señales luminosas en señales eléctricas en diversas aplicaciones.
La principal diferencia entre un fotodiodo y un fotodiodo de avalancha (APD) radica en su sensibilidad y capacidad de amplificación. Un fotodiodo opera de manera lineal, donde la fotocorriente generada es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente. Por el contrario, un APD utiliza el efecto de avalancha para amplificar internamente la fotocorriente. Esta amplificación permite que los APD alcancen una mayor sensibilidad y características de menor ruido en comparación con los fotodiodos estándar. Los APD son particularmente útiles en aplicaciones que requieren alta sensibilidad, como comunicaciones ópticas de largo alcance y escenarios de detección con poca luz.
A pesar de sus ventajas, los fotodiodos de avalancha (APD) tienen varias desventajas. Un inconveniente importante son sus mayores niveles de ruido en comparación con los fotodiodos estándar. El proceso de multiplicación por avalancha introduce un exceso de ruido debido a fluctuaciones estadísticas en el propio proceso de multiplicación. Este ruido puede limitar la sensibilidad de detección en determinadas aplicaciones. Además, los APD requieren un voltaje de funcionamiento más alto debido a la necesidad de un campo eléctrico fuerte para iniciar el efecto de avalancha, lo que puede complicar el diseño del circuito y aumentar el consumo de energía. Otra consideración es su costo, ya que los APD suelen ser más caros que los fotodiodos tradicionales debido a su fabricación especializada y mayores requisitos de rendimiento.
