Un fotodiodo de avalancha (APD) es un tipo de fotodetector que funciona mediante el efecto de avalancha, donde los portadores generados por fotones incidentes sufren ionización por impacto. En un APD, cuando un fotón choca contra el material semiconductor, crea un par electrón-hueco. Bajo un alto voltaje de polarización inversa, estos portadores ganan suficiente energía para ionizar átomos adicionales en la red cristalina, creando un efecto de cascada conocido como multiplicación de avalancha.
Esto da como resultado una ganancia interna significativamente mayor en comparación con un fotodiodo estándar, amplificando la fotocorriente inicial. Esta amplificación interna hace que los APD sean muy sensibles a señales de luz de baja intensidad, lo que les permite detectar señales ópticas débiles de forma más eficaz que los fotodiodos normales.
Los diodos de avalancha son dispositivos semiconductores que funcionan de manera similar a los fotodiodos de avalancha, pero no están diseñados específicamente para la detección de luz.
En cambio, se utilizan en electrónica para aplicaciones como regulación de voltaje, protección contra sobretensiones y conmutación de alta velocidad. En un diodo de avalancha, el voltaje de polarización inversa se ajusta de manera que los portadores acelerados a través de la región de agotamiento experimenten ionización por impacto, lo que resulta en una ruptura de avalancha controlada.
Esta característica permite que los diodos de avalancha mantengan un voltaje de ruptura estable y brinden protección contra picos de voltaje o sobretensiones en los circuitos.
La fórmula de los fotodiodos de avalancha se relaciona con su ganancia y operación bajo polarización inversa.
El factor de multiplicación o ganancia (M) de un APD viene dado por M = 1 / (1 – α), donde α es el coeficiente de ionización que representa la probabilidad de ionización por impacto por unidad de longitud.
Esta fórmula ilustra cómo la fotocorriente inicial generada por los fotones incidentes se amplifica a través del efecto de avalancha, lo que lleva a una corriente de salida más alta proporcional al número de pares electrón-hueco multiplicados dentro del APD.
La principal diferencia entre un fotodiodo de avalancha (APD) y un fotodiodo normal radica en sus mecanismos de amplificación internos y niveles de sensibilidad.
Si bien ambos tipos de fotodiodos convierten la luz en corriente eléctrica, los APD incorporan un alto voltaje de polarización inversa que induce una multiplicación en avalancha de portadores dentro del material semiconductor. Este mecanismo de ganancia interna permite que los APD alcancen una mayor sensibilidad y un menor ruido en comparación con los fotodiodos normales. Por el contrario, los fotodiodos normales dependen únicamente del efecto fotovoltaico, donde los fotones incidentes generan pares de huecos de electrones que contribuyen directamente a la fotocorriente sin amplificación.
Por lo tanto, los APD se prefieren en aplicaciones que requieren detección de señales ópticas débiles o entornos con poca luz, como en telecomunicaciones, espectroscopia e investigación científica.
Los fotodiodos de avalancha (APD) exhiben varias características clave que los hacen ventajosos en aplicaciones específicas. Una de las características principales es su alta ganancia interna, lograda mediante la multiplicación por avalancha de portadoras bajo un alto voltaje de polarización inversa.
Esto permite que los APD alcancen una sensibilidad significativamente mayor a señales ópticas de baja intensidad en comparación con los fotodiodos estándar. Otra característica es su bajo nivel de ruido, atribuido al proceso de amplificación interna que reduce el impacto de fuentes de ruido externas. Los APD también ofrecen capacidades de gran ancho de banda, lo que los hace adecuados para sistemas de detección y comunicación óptica de alta velocidad.
Sin embargo, los APD requieren una polarización y un control de temperatura precisos para mantener un rendimiento y una estabilidad óptimos.
Estas características en conjunto hacen que los APD sean valiosos en aplicaciones donde es fundamental detectar señales ópticas débiles con alta sensibilidad y confiabilidad.