Een lawinefotodiode (APD) is een type fotodetector die werkt met behulp van het lawine-effect, waarbij dragers gegenereerd door invallende fotonen impactionisatie ondergaan. Wanneer een foton in een APD het halfgeleidermateriaal raakt, ontstaat er een elektron-gatpaar. Onder een hoge sperspanning verkrijgen deze dragers voldoende energie om extra atomen in het kristalrooster te ioniseren, waardoor een cascade-effect ontstaat dat bekend staat als lawinevermenigvuldiging. Dit resulteert in een aanzienlijk hogere interne versterking vergeleken met een standaard fotodiode, waardoor de initiële fotostroom wordt versterkt. Deze interne versterking maakt APD’s zeer gevoelig voor lichtsignalen met een lage intensiteit, waardoor ze zwakke optische signalen effectiever kunnen detecteren dan gewone fotodiodes.
Lawinediodes zijn halfgeleiderapparaten die op dezelfde manier werken als lawinefotodiodes, maar niet specifiek zijn ontworpen voor lichtdetectie. In plaats daarvan worden ze in de elektronica gebruikt voor toepassingen zoals spanningsregeling, overspanningsbeveiliging en snel schakelen. In een lawinediode wordt de spervoorspanning zodanig aangepast dat dragers die over het uitputtingsgebied worden versneld, impactionisatie ondergaan, wat resulteert in een gecontroleerde lawinedoorslag. Dankzij deze eigenschap kunnen lawinediodes een stabiele doorslagspanning handhaven en bescherming bieden tegen spanningspieken of spanningspieken in circuits.
De formule voor lawinefotodiodes heeft betrekking op de versterking en werking ervan onder omgekeerde voorspanning. De vermenigvuldigingsfactor of versterking (M) van een APD wordt gegeven door M = 1 / (1 – α), waarbij α de ionisatiecoëfficiënt is die de waarschijnlijkheid van impactionisatie per lengte-eenheid vertegenwoordigt. Deze formule illustreert hoe de initiële fotostroom die door invallende fotonen wordt gegenereerd, wordt versterkt door het lawine-effect, wat leidt tot een hogere uitgangsstroom die evenredig is met het aantal elektron-gatparen dat binnen de APD wordt vermenigvuldigd.
Het belangrijkste verschil tussen een lawinefotodiode (APD) en een normale fotodiode ligt in hun interne versterkingsmechanismen en gevoeligheidsniveaus. Terwijl beide soorten fotodiodes licht omzetten in elektrische stroom, bevatten APD’s een hoge sperspanning die lawinevermenigvuldiging van dragers in het halfgeleidermateriaal induceert. Dankzij dit interne versterkingsmechanisme kunnen APD’s een hogere gevoeligheid en minder ruis bereiken in vergelijking met gewone fotodiodes. Normale fotodiodes zijn daarentegen uitsluitend afhankelijk van het fotovoltaïsche effect, waarbij invallende fotonen elektronen-gatparen genereren die rechtstreeks bijdragen aan de fotostroom zonder versterking. APD’s hebben daarom de voorkeur in toepassingen die detectie van zwakke optische signalen of omgevingen met weinig licht vereisen, zoals in telecommunicatie, spectroscopie en wetenschappelijk onderzoek.
Lawinefotodiodes (APD’s) vertonen verschillende belangrijke kenmerken die ze voordelig maken in specifieke toepassingen. Een van de belangrijkste kenmerken is hun hoge interne versterking, bereikt door lawinevermenigvuldiging van dragers onder een hoge sperspanning. Hierdoor kunnen APD’s een aanzienlijk hogere gevoeligheid bereiken voor optische signalen met lage intensiteit in vergelijking met standaard fotodiodes. Een ander kenmerk zijn de lage geluidsprestaties, die worden toegeschreven aan het interne versterkingsproces dat de impact van externe geluidsbronnen vermindert. APD’s bieden ook hoge bandbreedtemogelijkheden, waardoor ze geschikt zijn voor snelle optische communicatie- en detectiesystemen. APD’s vereisen echter nauwkeurige voorspanning en temperatuurregeling om optimale prestaties en stabiliteit te behouden. Deze kenmerken maken APD’s gezamenlijk waardevol in toepassingen waarbij het detecteren van zwakke optische signalen met hoge gevoeligheid en betrouwbaarheid van cruciaal belang is.