Fotodioda lawinowa (APD) to rodzaj fotodetektora działającego w oparciu o efekt lawinowy, podczas którego nośniki generowane przez padające fotony ulegają jonizacji uderzeniowej. W APD, gdy foton uderza w materiał półprzewodnikowy, tworzy parę elektron-dziura. Pod wysokim napięciem polaryzacji zwrotnej nośniki te uzyskują wystarczającą energię, aby zjonizować dodatkowe atomy w sieci krystalicznej, tworząc efekt kaskadowy znany jako zwielokrotnianie lawiny. Powoduje to znacznie większe wzmocnienie wewnętrzne w porównaniu ze standardową fotodiodą, wzmacniając początkowy fotoprąd. To wewnętrzne wzmocnienie sprawia, że APD są bardzo wrażliwe na sygnały świetlne o niskim natężeniu, co pozwala im wykrywać słabe sygnały optyczne skuteczniej niż zwykłe fotodiody.
Diody lawinowe to urządzenia półprzewodnikowe, które działają podobnie do fotodiod lawinowych, ale nie są specjalnie zaprojektowane do wykrywania światła. Zamiast tego są stosowane w elektronice do zastosowań takich jak regulacja napięcia, ochrona przed przepięciami i szybkie przełączanie. W diodzie lawinowej napięcie polaryzacji zaporowej jest regulowane w taki sposób, że nośniki przyspieszane w obszarze zubożenia ulegają jonizacji uderzeniowej, co powoduje kontrolowane przebicie lawinowe. Ta cecha pozwala diodom lawinowym utrzymać stabilne napięcie przebicia i zapewnić ochronę przed skokami napięcia lub przepięciami w obwodach.
Wzór na fotodiody lawinowe odnosi się do ich wzmocnienia i działania przy polaryzacji zaporowej. Współczynnik mnożenia lub wzmocnienie (M) APD wyraża się wzorem M = 1 / (1 – α), gdzie α jest współczynnikiem jonizacji reprezentującym prawdopodobieństwo jonizacji uderzeniowej na jednostkę długości. Wzór ten ilustruje, jak początkowy fotoprąd generowany przez padające fotony ulega wzmocnieniu w wyniku efektu lawinowego, co prowadzi do wyższego prądu wyjściowego proporcjonalnie do liczby par elektron-dziura pomnożonych w APD.
Główna różnica między fotodiodą lawinową (APD) a zwykłą fotodiodą polega na ich wewnętrznych mechanizmach wzmacniania i poziomach czułości. Podczas gdy oba typy fotodiod przekształcają światło w prąd elektryczny, APD zawierają wysokie napięcie polaryzacji wstecznej, które indukuje lawinowe mnożenie nośników w materiale półprzewodnikowym. Ten wewnętrzny mechanizm wzmocnienia pozwala APD osiągnąć wyższą czułość i niższy poziom szumów w porównaniu ze zwykłymi fotodiodami. Natomiast zwykłe fotodiody opierają się wyłącznie na efekcie fotowoltaicznym, w którym padające fotony generują pary elektron-dziura, które bezpośrednio przyczyniają się do fotoprądu bez wzmocnienia. Dlatego APD są preferowane w zastosowaniach wymagających wykrywania słabych sygnałów optycznych lub w środowiskach o słabym oświetleniu, takich jak telekomunikacja, spektroskopia i badania naukowe.
Fotodiody lawinowe (APD) wykazują kilka kluczowych cech, które czynią je korzystnymi w określonych zastosowaniach. Jedną z głównych cech jest ich wysokie wzmocnienie wewnętrzne, osiągane poprzez lawinowe zwielokrotnianie nośnych pod wysokim napięciem polaryzacji zwrotnej. Dzięki temu APD mogą osiągnąć znacznie wyższą czułość na sygnały optyczne o niskim natężeniu w porównaniu ze standardowymi fotodiodami. Inną cechą charakterystyczną jest niski poziom hałasu, wynikający z wewnętrznego procesu wzmacniania, który zmniejsza wpływ zewnętrznych źródeł hałasu. Urządzenia APD oferują również wysoką przepustowość, dzięki czemu nadają się do szybkich systemów komunikacji optycznej i wykrywania. Jednakże APD wymagają precyzyjnego odchylenia i kontroli temperatury, aby utrzymać optymalną wydajność i stabilność. Te cechy łącznie sprawiają, że APD są cenne w zastosowaniach, w których krytyczne znaczenie ma wykrywanie słabych sygnałów optycznych z wysoką czułością i niezawodnością.