Um fotodiodo de avalanche (APD) é um tipo de fotodetector que opera utilizando o efeito avalanche, onde portadores gerados por fótons incidentes sofrem ionização por impacto. Em um APD, quando um fóton atinge o material semicondutor, ele cria um par elétron-buraco. Sob uma alta tensão de polarização reversa, esses portadores ganham energia suficiente para ionizar átomos adicionais na rede cristalina, criando um efeito cascata conhecido como multiplicação de avalanche. Isto resulta num ganho interno significativamente maior em comparação com um fotodiodo padrão, amplificando a fotocorrente inicial. Esta amplificação interna torna os APDs altamente sensíveis a sinais de luz de baixa intensidade, permitindo-lhes detectar sinais ópticos fracos de forma mais eficaz do que os fotodiodos normais.
Os diodos de avalanche são dispositivos semicondutores que operam de forma semelhante aos fotodiodos de avalanche, mas não são projetados especificamente para detecção de luz. Em vez disso, eles são usados em eletrônica para aplicações como regulação de tensão, proteção contra sobretensão e comutação de alta velocidade. Em um diodo de avalanche, a tensão de polarização reversa é ajustada de modo que os portadores acelerados através da região de depleção sofram ionização por impacto, resultando em uma quebra controlada de avalanche. Essa característica permite que os diodos avalanche mantenham uma tensão de ruptura estável e forneçam proteção contra picos de tensão ou surtos nos circuitos.
A fórmula dos fotodiodos de avalanche está relacionada ao seu ganho e operação sob polarização reversa. O fator de multiplicação ou ganho (M) de um APD é dado por M = 1 / (1 – α), onde α é o coeficiente de ionização que representa a probabilidade de ionização por impacto por unidade de comprimento. Esta fórmula ilustra como a fotocorrente inicial gerada pelos fótons incidentes sofre amplificação através do efeito avalanche, levando a uma corrente de saída mais alta proporcional ao número de pares elétron-buraco multiplicados dentro do APD.
A principal diferença entre um fotodiodo de avalanche (APD) e um fotodiodo normal reside em seus mecanismos internos de amplificação e níveis de sensibilidade. Embora ambos os tipos de fotodiodos convertam luz em corrente elétrica, os APDs incorporam uma alta tensão de polarização reversa que induz a multiplicação em avalanche de portadores dentro do material semicondutor. Este mecanismo de ganho interno permite que os APDs obtenham maior sensibilidade e menor ruído em comparação com fotodiodos normais. Em contraste, os fotodiodos normais dependem apenas do efeito fotovoltaico, onde os fótons incidentes geram pares elétron-buraco que contribuem diretamente para a fotocorrente sem amplificação. Os APDs são, portanto, preferidos em aplicações que requerem detecção de sinais ópticos fracos ou ambientes com pouca luz, como em telecomunicações, espectroscopia e pesquisa científica.
Os fotodiodos Avalanche (APDs) exibem várias características importantes que os tornam vantajosos em aplicações específicas. Uma das principais características é o seu alto ganho interno, obtido através da multiplicação em avalanche de portadoras sob uma alta tensão de polarização reversa. Isso permite que os APDs alcancem uma sensibilidade significativamente maior a sinais ópticos de baixa intensidade em comparação com fotodiodos padrão. Outra característica é o baixo desempenho de ruído, atribuído ao processo de amplificação interna que reduz o impacto de fontes externas de ruído. Os APDs também oferecem recursos de alta largura de banda, tornando-os adequados para comunicação óptica de alta velocidade e sistemas de detecção. No entanto, os APDs requerem polarização precisa e controle de temperatura para manter desempenho e estabilidade ideais. Essas características coletivamente tornam os APDs valiosos em aplicações onde a detecção de sinais ópticos fracos com alta sensibilidade e confiabilidade é crítica.