Was ist eine Avalanche-Photodiode?
Avalanche-Photodioden, auch APDs genannt, sind eine Art von Photodioden (PD), die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln können. Sie werden zur Erkennung von Licht und spezifischen Stärken und Schwächen eingesetzt. Zu ihren Merkmalen gehören ultraschnelle Geschwindigkeit und hervorragende Reaktionsfähigkeit. Sie können auch eine Elektronenlawinenverstärkung erzeugen, indem sie eine Elektronenlawine erzeugen. Dies verleiht ihnen die Eigenschaft, bei Anlegen einer starken Sperrspannung eine Verstärkungsfunktion zu haben, wodurch auch schwache optische Signale erfasst werden können.
Anwendungen von Avalanche-Photodioden
APDs sind eine Art von PD, aber aufgrund ihrer Eigenschaften haben sie eine etwas andere Anwendung: Sie werden zur Messung der Lichtintensität oder der Lichtstärke und zur Erkennung von Lichtsignalen verwendet und sind in einer Vielzahl von Produkten enthalten, die wir verwenden. APDs werden ebenfalls zur Erkennung von Licht verwendet, aber selbst Licht, das zu schwach ist, um von normalen PDs erkannt zu werden, kann von APDs erkannt werden. Das liegt daran, dass die hohe angelegte Sperrspannung eine Avalanche-Verstärkung bewirkt, die zu einer großen Veränderung bei der Erkennung selbst von schwachem Licht führt.
Funktionsweise der Avalanche-Photodiode
Das Wort Avalanche ist nicht geläufig, aber im Deutschen bedeutet es Lawine. Wie der Name schon sagt, lösen APDs eine Elektronenlawine aus, wenn eine hohe Sperrspannung angelegt wird. Eine Elektronenlawine ist ein Phänomen, bei dem eine einzelne Elektronenkollision die Erzeugung eines Elektrons nach dem anderen bewirkt. In diesem Fall erzeugen Photonen, die mit Halbleiteratomen zusammenstoßen, Elektronen, die durch die angelegte Hochspannung beschleunigt werden. Die beschleunigten Elektronen stoßen dann mit hoher Geschwindigkeit mit anderen Atomen zusammen, wobei ein Elektron nach dem anderen entsteht. Dieses Phänomen wird als Avalanche-Verstärkung bezeichnet, da die Elektronen in einer lawinenartigen Weise erzeugt und verstärkt werden.
Bei der Struktur handelt es sich um einen pn-Übergang, bei dem der p- und der n-Typ-Halbleiter kombiniert sind, aber eine p-Schicht mit einer anderen Ladungsträgerkonzentration vorhanden ist. Die Struktur besteht aus einer p-Schicht mit hoher Ladungsträgerkonzentration und einer p-Schicht mit niedriger Ladungsträgerkonzentration, die den normalen pn-Übergang überlappen. Die p-Schicht mit niedriger Ladungsträgerkonzentration absorbiert Licht und erzeugt Löcher, während die p-Schicht im pn-Übergang die erzeugten Elektronen mit Hochspannung beschleunigt, um eine Elektronenlawine zu erzeugen, die eine Avalanche-Verstärkung bewirkt. Wenn das detektierte Licht schwach ist, werden nur wenige Elektronen und Löcher erzeugt, aber diese Verstärkung kann ein Vielfaches an Elektronen erzeugen, was für die Detektion von schwachem Licht nützlich ist.
Vor- und Nachteile von Avalanche-Photodioden
Die folgenden Eigenschaften sind Vorteile der Avalanche-Photodioden:
- Hohe Lichtempfindlichkeit
- Schnelle Reaktionszeit
- Hohe Zuverlässigkeit
Neben den oben genannten Qualitätsmerkmalen haben sie aber auch Nachteile, wie die Notwendigkeit hoher Sperrspannungen bei der Verwendung und die temperaturabhängige Veränderung des Avalanche-Multiplikationseffekts.
Der Weltmarkt für Avalanche-Photodioden
Der Weltmarkt für Avalanche-Photodioden wird im Jahr 2019 voraussichtlich 150 Mio. USD erreichen und soll von 2020 bis 2027 mit einer CAGR von 3,5% wachsen und bis 2027 eine Marktgröße von über 200 Mio. USD erreichen.
Avalanche-Photodioden sind sehr vielseitig, da sie für verschiedene Endanwendungen wie Luft- und Raumfahrt, IT und medizinische Anwendungen eingesetzt werden können, und es wird erwartet, dass der Markt in Zukunft wachsen wird.
Es wird erwartet, dass der Markt expandieren wird, und im Folgenden sind einige der Wachstums- und Hemmfaktoren des Marktes aufgeführt:
- Faktoren für das Marktwachstum
Anwendungen in der optischen Industrie, die steigende Nachfrage nach medizinischen Diagnosegeräten und -systemen sowie die schnelle Digitalisierung in den Entwicklungsländern gelten als Marktwachstumsfaktoren. - Markthemmende Faktoren
Technische und charakteristische Probleme bei der Verwendung von Avalanche-Photodioden schränken ihre Vielseitigkeit ein, was ein Faktor ist, der das Wachstum des Marktes hemmt.
Entwicklung von Avalanche-Photodioden
Die Unannehmlichkeiten von Avalanche-Photodioden in Bezug auf die erforderliche hohe Sperrspannung und die Temperaturabhängigkeit des Multiplikationsfaktors haben zur Erforschung und Entwicklung von Avalanche-Photodioden geführt, die bei niedrigeren Sperrspannungen verwendet werden können, um die Verwendung der Geräte zu erleichtern.
Es werden auch verschiedene andere Arten von Avalanche-Photodioden erforscht und entwickelt, darunter oberflächenmontierte Chip Size Package (CSP)-Avalanche-Photodioden, Avalanche-Photodioden, die die Auswirkungen des Umgebungslichts verhindern, und großflächige Avalanche-Photodioden, die die Gleichmäßigkeit des Multiplikationsfaktors aufrechterhalten.