Un fotodiodo da valanga (APD) funziona secondo il principio dell’effetto valanga, che aumenta la sensibilità dei fotodiodi tradizionali. Quando i fotoni colpiscono il materiale semiconduttore di un APD, generano coppie elettrone-lacuna. In un fotodiodo standard, queste coppie elettrone-lacuna contribuiscono direttamente alla fotocorrente. Al contrario, in un APD, il materiale semiconduttore è progettato per avere ai suoi capi un’elevata tensione di polarizzazione inversa. Questa alta tensione crea un forte campo elettrico all’interno della regione di svuotamento dell’APD.
L’effetto valanga in un fotodiodo si riferisce al fenomeno in cui una singola coppia elettrone-lacuna generata da fotoni incidenti può innescare una cascata di coppie elettrone-lacuna secondarie attraverso la ionizzazione per impatto. Ciò si verifica quando un elettrone o una lacuna guadagna abbastanza energia cinetica dal forte campo elettrico per creare ulteriori coppie elettrone-lacuna in seguito alla collisione con gli atomi del semiconduttore. Questo processo di moltiplicazione aumenta significativamente il numero di portatori di carica, amplificando la fotocorrente prodotta dal fotodiodo in risposta alla luce.
Il meccanismo di funzionamento di un fotodiodo prevede che il suo materiale semiconduttore assorba fotoni di luce, che eccitano gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando coppie elettrone-lacuna. Questi portatori di carica contribuiscono a una fotocorrente quando il fotodiodo è polarizzato direttamente o quando i portatori generati vengono spazzati via da un campo elettrico esterno sotto polarizzazione inversa. La corrente risultante è direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente, rendendo i fotodiodi utili per rilevare e convertire i segnali luminosi in segnali elettrici in varie applicazioni.
La differenza principale tra un fotodiodo e un fotodiodo da valanga (APD) risiede nella loro sensibilità e capacità di amplificazione. Un fotodiodo funziona in modo lineare, dove la fotocorrente generata è direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente. Al contrario, un APD utilizza l’effetto valanga per amplificare internamente la fotocorrente. Questa amplificazione consente agli APD di ottenere una sensibilità più elevata e caratteristiche di rumore inferiori rispetto ai fotodiodi standard. Gli APD sono particolarmente utili in applicazioni che richiedono un’elevata sensibilità, come comunicazioni ottiche a lungo raggio e scenari di rilevamento di scarsa illuminazione.
Nonostante i loro vantaggi, i fotodiodi a valanga (APD) presentano diversi svantaggi. Uno svantaggio significativo è il livello di rumore più elevato rispetto ai fotodiodi standard. Il processo di moltiplicazione delle valanghe introduce un eccesso di rumore dovuto alle fluttuazioni statistiche nel processo di moltiplicazione stesso. Questo rumore può limitare la sensibilità di rilevamento in alcune applicazioni. Inoltre, gli APD richiedono una tensione operativa più elevata a causa della necessità di un forte campo elettrico per avviare l’effetto valanga, che può complicare la progettazione del circuito e aumentare il consumo energetico. Un’altra considerazione è il loro costo, poiché gli APD sono in genere più costosi dei fotodiodi tradizionali a causa della loro produzione specializzata e dei requisiti di prestazioni più elevate.
