آموزش رایگان سیلواکو Silvaco
فتو دیود بهمنی Avalanche photodiode در سیلواکو Silvaco
مشخصه های APD
آموزش صد در صد رایگان سیلواکو
چندین پارامتر در ارتباط با یک APD در حالت های مختلف وجود دارد. در این بخش ما به پارامترهای مهم می پردازیم.
Avalanche photodiode in silvaco
ظرفیت خازنی
یک APD همانند هر دیود نوری دیگر، ظرفیت های خازنی متفاوتی را بر طبق قطبیت ولتاژ ورودی نمایش می دهد. در بایاس مستقیم، ظرفیت خازنی مرتبط با APD ، با ذخیره بار در رابط با نیمه رسانا می باشد.
این امر برای یک APD دارای بایاس معکوس که در آن ظرفیت خازنی عمدتا ناشی از منطقه تهی شکل می گیرد بین انواع نیم رسانا ها صادق می باشد.
به همین دلیل این مساله برای APD های حالت Geiger قابل اعمال نمی باشد. از آنجایی که ظرفیت خازنی پیوندگاه به ضخامت لایه تهی بستگی دارد، می توان از آن به عنوان معیاری برای محاسبه عمق لایه تهی استفاده نمود . در صورتی که حامل ها در خارج از لایه تهی ایجاد شوند، سبب ایجاد مشکلاتی مانند زمان تنزل سیگنال می گردند.
بنابراین برای اطمینان از واکنش سریع، اعمال یک ولتاژ معکوس که لایه تهی را ضخیم تر از لایه نفوذ به لایه جذ ب نور می گرداند، ضروری می باشد. برای APD با مساحت فعال A و عرض مساحت تهی W ، خازن پیوندگاه به صورت زیر بیان می شود.
(1-2) Cj = ɛA/W(Vbias)
طبق معادله فوق، Cj با افزایش مساحت APD و یا کاهش ضخامت لایه تهی زیاد می شود. از طرفی دیگر، زمان گذر حامل های بار در یک APD با افزایش ضخامت لایه تهی APD زیاد می شود. به همین دلیل انتخاب ضخامت APD دال بر موازنه عملکرد میان نویز و سرعت می باشد. معادله فوق ثابت می کند که ظرفیت خازن دارای رابطه معکوسی با ولتاژ بایاس می باشد. بنابراین با استفاده از زیاد کردن ولتاژ بایاس ، ظرفیت خازنی APD کم می شود.[9]
شبیه سازی سیلواکو
پهنای باند
پهنای باند یک دیود نوری APD اساسا از طریق زیر تعیین می شود. ثابت زمانی R-V تعداد تله تاخیر سیگنال ناشی از زمان های گذر دیود نوری به ضخامت ناحیه فعال و سرعت های اشباع الکترون / حفره ، وابسته می باشد. بناراین هر چقدر لایه های جذب ، نازک تر باشد زمان های گذر، کمتر می شود.
ثابت زمانی RC از روش تعیین پارامترهای مدار معادل APD محاسبه می شود. ظرفیت خازنی پیوندگاه که به شکل لبه منطقه تهی مشخص می گردد و ظرفیت خازنی پارازیتی که به هندسه فلزی کردن وابسته می باشد، را می توان به عنوان ظرفیت خازنی APD برشمرد.
مقاومت الکتریکی APD تشکیل شده است از مقاومت سری که از طریق کنتاکت های اهمی و مقاومت حجمی و مقاومت بار بوجود می آید. با در نظر گرفتن Rs و RL به عنوان مقاومت الکتریکی پیوندگاه و مقاومت الکتریکی پارازیتی، پهنای باند 3-Db الکتریکی را می توان به صورت زیر تقریب زد.
(2-2) F3db = 1/2π(Cj+Cp)(Rs+RL)
جریان انتشار، برای APD از اهمیت بالایی برخوردار می باشد به این دلیل که جذب معنا دار در ناحیه تهی اتفاق می افتد که خارج از منطقه دارای میدان بالا می باشد.
حامل هایی که در حدود یک طول انتشار منطقه تهی قرار می گیرند، دارای شانسی می باشند که در منطقه فعال قرار دارند. جریان انتشار، در ایجاد واکنش لحظه ایی آشکار ساز نقش خواهند داشت و از طریق نو ترکیبی در لایه کنتاکت بسیار دوپ شده این امکان هست که تا حدودی کم شوند و کل لایه جذب را تهی سازند.
در بعضی از طرح های APD ، پهنای باند می تواند از روش بروز تله گذاری جریان الکترون ها در ناپیوستگی باند رسانایی و تله گذاری حفره ها در ناپیوستگی نوار والانس خود را محدود کنند. تله گذاری حفره، امر مهمی در آشکار سازی نوری دارای طول موج بلند می باشد به این علت که ناپیوستگی باند والانس در پیوندگاه وجود دارد. بسته بندی و نیز هر گونه اتصال قطعات به آشکارساز اغلب باعث محدود شدن عملکرد آن می شود. وجود یک بار امپدانس بالا و یک ضریب، بازتاب نزدیک به یک از دیگر مشکلات دیود های نوری می باشد.
یک راه حل این مساله، تلفیق یک مقاومت انطباق دهنده و دستگاه و نیز بکارگیری یک لایه کانتکت پایین بدون افزودن هیچ مرحله فرآیند و یا پوشش اضافی. نقطه ضعف یک مقاومت بار این است که سبب کاهش بازدهی کوانتوم موثر می گردد چون بعضی از جریان های نوری از مقاومت انطباق دهنده می گذرند. یکی دیگر از پارامترهای تاثیر گذار بر پهنای باند APD ، ظرفیت خازن انتهایی می باشد.
در واقع، ظرفیت خازنی APD به همراه مقاومت الکتریکی سری ورودی ، یک مدار تشکیل می دهند که ثابت زمانی آن تحت تاثیر ظرفیت خازنی قرار می گیرد. این ثابت زمانی باید در تمام عملیات APD در نظر گرفته شود که شامل شارژ و تخلیه الکتریکی حاصل از آشکار سازی می باشد. APD هایی که ظرفیت خازنی بالایی دارند، در مقایسه با موارد مشابه دارای پهنای باند محدودتری می باشند.
کاهش مساحت دیود نوری، سبب می شود که ظرفیت خازنی پیوند گاه کاهش یابد و به دنبال آن ثابت زمانی RC نیز کم می شود. اگر چه یک مساحت کم از دستگاه باعث مقاومت الکتریکی کنتاکت بالا شود و در نتیجه آن ثابت زمانی RC نیز زیاد شود. اثر پارازیتی القا شده بر اثر بنده بندی افزاره، سبب تنزل پهنای باند خواهد شد. این مساله را می توان از طریق بکارگیری تکنیک پیوند پیشرفه بر طرف نمود. مدار بایاس خارجی به عنوان یک مشکل در دستگاه های دارای سرعت بسیار بالا محسوب می شود که باعث دشواری در ساخت مدارهای بایاس خارجی خواهد شد.
خازن بایاس ضروری و مقاومت بار را می توان با APD و بدون اضافه کردن هر گونه مرحله ی فرآیند یا پوشش اضافی از طریق کاربرد یک ناحیه دارای مساحت بالا به عنوان خازن و استفاده نمودن از لایه کنتاکت پایین به عنوان مقاومت سری بیان نمود.
بازدهی کوانتوم
برای یک فوتون جذب شده در ناحیه فعال یک APD امکان به وجود آمدن یک حامل اولیه و نهایتا راه اندازی یک فرآیند بهمنی موجود است این چنین احتمای را بازدهی کوانتومی QE می نامند. ارزش ایده آل QE ، یک می باشد به معنای آن است که تمام فوتون ها در منطقه فعال جذب شده اند. با طول موج بزرگتر، شانس فوتون برای جذب شدن در بخش فعال ناحیه تهی کم می شود. برای طول موج های کوتاه، فوتون ایجاد شده می تواند در سطح فورا جذب شود. بازدهی کوانتوم عموما به ساختار APD و پوشش ضد بازتاب AR بر روی پنجره دیود بستگی دارد. ارزش های مشخصه QE برای APD از 40 تا 80 درصد متغیر می باشد.
نویز بعد ضربه
در فرآیند بهمنی، برخی از حامل ها که از ناحیه تهی عبور می کنند در سطوح عمیق داخل پیوندگاه گرفتار می شوند و در تله هایی در APD نگه داشته می شوند. این حامل ها ممکن است پس از یک دوره زمانی تصادفی آزاد گردند. از آنجایی که بارهای الکتریکی رها شده در طول دوره فعال یک APD آزاد می گردند یک جریان بهمنی رخ خواهد داد. جریان حاصله، از یک رویداد بهمنی قبلی نشات می گیرد نه با ورود یک فوتون جدید . رویداد بهمنی جدید می تواند به نوبه خود باعث گرفتار شدن بیشتر حامل ها شود و این چرخه ادامه پیدا کند. این منشا ناخواسته نویز، نویز بعد ضربه نامیده می شود.
شدت نویز بعد ضربه به عامل های زیر وابسته می باشد: الف) تعداد حامل هایی که می توانند از پیوندگاه عبور کنند. ب) تراکم تله . ج) دما. تعداد حامل های عبوری از پیوندگاه رابطه مستقیمی با بارکل رویداد بهمنی دارد در صورتی که بار الکتریکی کل و شدت جریان وابسته به اضافه ولتاژ می باشد. علاوه بر تراکم تله، اینکه حامل های آزاد شده در چه عمقی از پیوندگاه ها گرفتار شوند بیان کننده دوره آزاد سازی هر یک از حامل ها و در نهایت ، شروع نویز بعد ضربه می باشد.
تراکم تله های سطح عمیق را می توان از روی بهبود کیفیت ماده، کاهش داد که می تواند راه حلی برای کاهش نویز بعد ضربه باشد. گرچه بهبود دادن پارامترهای ماده یک فرآیند عملا غیر ممکن می باشد. پارامتر موثر دیگر بر نویز بعد ضربه دما است. با افزایش دما، حامل هایی که گرفتار شدند با سرعت بیشتری فرار می کنند و در نتیجه ، اثر نویز بعد ضربه ، کمتر می باشد.
گرچه افزایش دما، سبب نویز بعد ضربه می شود اما در عین حال سبب افزایش تولید گرما می شود که باعث نرخ شمارش تاریک بالاتری خواهد شد. انتخاب دمای بهینه دارای اهمیت بالایی است زیرا سبب حفظ اثر نویز بعد ضربه و نیز میزان شمارش تاریک در کمترین ارزش ممکن می باشد. بنابراین ضربه زنی، یک عامل محدود کننده اصلی در زمینه بهره برداری از APD ها به عنوان شمارشگر فوتون در مقدار تکرار بالا و عملیات فرکانس بالای APD می باشند. با حفظ و نگه داری ولتاژ در سطح ، APD در سطحی پایین تر از ولتاژ شکست پس از هر شناسایی فوتون برای مدت زمان نسبتا طولانی، مرکزهای تله گذاری امکان دارد خالی شوند و نویز بعد ضربه ممکن است دیگر رخ ندهد. زمان کافی باید طولانی تر از عمر انتشار تله باشد.
جهت یادگیری کامل نرم افزار سیلواکو آموزش های رایگان ما را در سایت حامی پروژه دنبال نمایید. و در صورت مشکل در انجام پروژه های سیلواکو خود با متخصصین حامی پروژه در تماس باشید. برای ارتباط با تیم تخصصی سیلواکو حامی پروژه با شماره 09934702599 تماس حاصل نمایید.