Un fotodiodo da valanga (APD) è un tipo di fotorilevatore che funziona utilizzando l’effetto valanga, in cui i portatori generati dai fotoni incidenti subiscono la ionizzazione per impatto. In un APD, quando un fotone colpisce il materiale semiconduttore, crea una coppia elettrone-lacuna. Sotto un’elevata tensione di polarizzazione inversa, questi portatori guadagnano energia sufficiente per ionizzare ulteriori atomi nel reticolo cristallino, creando un effetto a cascata noto come moltiplicazione a valanga. Ciò si traduce in un guadagno interno significativamente più elevato rispetto a un fotodiodo standard, amplificando la fotocorrente iniziale. Questa amplificazione interna rende gli APD altamente sensibili ai segnali luminosi a bassa intensità, consentendo loro di rilevare segnali ottici deboli in modo più efficace rispetto ai normali fotodiodi.
I diodi da valanga sono dispositivi a semiconduttore che funzionano in modo simile ai fotodiodi da valanga ma non sono progettati specificamente per il rilevamento della luce. Vengono invece utilizzati nell’elettronica per applicazioni quali regolazione della tensione, protezione da sovratensione e commutazione ad alta velocità. In un diodo a valanga, la tensione di polarizzazione inversa viene regolata in modo tale che i portatori accelerati attraverso la regione di svuotamento subiscano la ionizzazione per impatto, determinando una rottura a valanga controllata. Questa caratteristica consente ai diodi a valanga di mantenere una tensione di rottura stabile e fornire protezione contro picchi di tensione o sovratensioni nei circuiti.
La formula per i fotodiodi a valanga si riferisce al suo guadagno e al funzionamento con polarizzazione inversa. Il fattore di moltiplicazione o guadagno (M) di un APD è dato da M = 1 / (1 – α), dove α è il coefficiente di ionizzazione che rappresenta la probabilità di ionizzazione da impatto per unità di lunghezza. Questa formula illustra come la fotocorrente iniziale generata dai fotoni incidenti subisce un’amplificazione attraverso l’effetto valanga, portando ad una corrente di uscita più elevata proporzionale al numero di coppie elettrone-lacuna moltiplicate all’interno dell’APD.
La differenza principale tra un fotodiodo a valanga (APD) e un fotodiodo normale risiede nei meccanismi di amplificazione interni e nei livelli di sensibilità. Mentre entrambi i tipi di fotodiodi convertono la luce in corrente elettrica, gli APD incorporano un’elevata tensione di polarizzazione inversa che induce una moltiplicazione a valanga dei portatori all’interno del materiale semiconduttore. Questo meccanismo di guadagno interno consente agli APD di ottenere una sensibilità maggiore e un rumore inferiore rispetto ai normali fotodiodi. Al contrario, i normali fotodiodi si basano esclusivamente sull’effetto fotovoltaico, dove i fotoni incidenti generano coppie elettrone-lacuna che contribuiscono direttamente alla fotocorrente senza amplificazione. Gli APD sono quindi preferiti nelle applicazioni che richiedono il rilevamento di segnali ottici deboli o ambienti con scarsa illuminazione, come nelle telecomunicazioni, nella spettroscopia e nella ricerca scientifica.
I fotodiodi a valanga (APD) presentano diverse caratteristiche chiave che li rendono vantaggiosi in applicazioni specifiche. Una delle caratteristiche principali è l’elevato guadagno interno, ottenuto attraverso la moltiplicazione a valanga di portanti sotto un’elevata tensione di polarizzazione inversa. Ciò consente agli APD di ottenere una sensibilità significativamente più elevata ai segnali ottici a bassa intensità rispetto ai fotodiodi standard. Un’altra caratteristica è la bassa rumorosità, attribuita al processo di amplificazione interna che riduce l’impatto delle fonti di rumore esterne. Gli APD offrono anche funzionalità di larghezza di banda elevata, che li rendono adatti per sistemi di rilevamento e comunicazione ottica ad alta velocità. Tuttavia, gli APD richiedono una polarizzazione e un controllo della temperatura precisi per mantenere prestazioni e stabilità ottimali. Queste caratteristiche collettivamente rendono gli APD preziosi nelle applicazioni in cui è fondamentale il rilevamento di segnali ottici deboli con elevata sensibilità e affidabilità.