Een lawinefotodiode (APD) werkt op basis van het principe van het lawine-effect, dat de gevoeligheid van traditionele fotodiodes vergroot. Wanneer fotonen het halfgeleidermateriaal van een APD treffen, genereren ze elektron-gatparen. In een standaardfotodiode dragen deze elektronen-gatparen rechtstreeks bij aan de fotostroom. Bij een APD daarentegen is het halfgeleidermateriaal zo ontworpen dat er een hoge sperspanning overheen wordt aangelegd. Deze hoge spanning creëert een sterk elektrisch veld binnen het uitputtingsgebied van de APD.
Het lawine-effect in een fotodiode verwijst naar het fenomeen waarbij een enkel elektron-gatpaar gegenereerd door invallende fotonen een cascade van secundaire elektron-gatparen kan veroorzaken door impactionisatie. Dit gebeurt wanneer een elektron of gat voldoende kinetische energie uit het sterke elektrische veld haalt om extra elektron-gatparen te creëren bij botsing met de halfgeleideratomen. Dit vermenigvuldigingsproces vergroot het aantal ladingsdragers aanzienlijk, waardoor de fotostroom wordt versterkt die door de fotodiode wordt geproduceerd als reactie op licht.
Het werkingsmechanisme van een fotodiode houdt in dat het halfgeleidermateriaal fotonen van licht absorbeert, waardoor elektronen van de valentieband naar de geleidingsband worden opgewonden, waardoor elektron-gatparen ontstaan. Deze ladingsdragers dragen bij aan een fotostroom wanneer de fotodiode onder voorwaartse voorspanning staat of wanneer de gegenereerde dragers worden weggevaagd door een extern elektrisch veld onder tegengestelde voorspanning. De resulterende stroom is direct evenredig met de intensiteit van het invallende licht, waardoor fotodiodes bruikbaar zijn voor het detecteren en omzetten van lichtsignalen in elektrische signalen in verschillende toepassingen.
Het belangrijkste verschil tussen een fotodiode en een lawinefotodiode (APD) ligt in hun gevoeligheid en versterkingsvermogen. Een fotodiode werkt op een lineaire manier, waarbij de gegenereerde fotostroom recht evenredig is met de intensiteit van het invallende licht. Een APD daarentegen gebruikt het lawine-effect om de fotostroom intern te versterken. Door deze versterking kunnen APD’s een hogere gevoeligheid en lagere ruiskarakteristieken bereiken in vergelijking met standaard fotodiodes. APD’s zijn met name nuttig in toepassingen die een hoge gevoeligheid vereisen, zoals optische communicatie over lange afstanden en detectiescenario’s bij weinig licht.
Ondanks hun voordelen hebben lawinefotodiodes (APD’s) verschillende nadelen. Een belangrijk nadeel is hun hogere geluidsniveau in vergelijking met standaard fotodiodes. Het lawinevermenigvuldigingsproces introduceert overtollige ruis als gevolg van statistische fluctuaties in het vermenigvuldigingsproces zelf. Deze ruis kan bij bepaalde toepassingen de detectiegevoeligheid beperken. Bovendien vereisen APD’s een hogere bedrijfsspanning vanwege de behoefte aan een sterk elektrisch veld om het lawine-effect te initiëren, wat het circuitontwerp kan bemoeilijken en het stroomverbruik kan verhogen. Een andere overweging zijn de kosten, aangezien APD’s doorgaans duurder zijn dan traditionele fotodiodes vanwege hun gespecialiseerde productie en hogere prestatie-eisen.
