فوتوديودهاي آوالانژ (APDS)

APDS سيگنال را در طي فرايند آشكارسازي تقويت مي كنند . آنها از يك اصل مشابه با لوله هاي «فوتومولتي پلاير» بكار رفته در آشكارسازي تشعشع هسته اي استفاده مي كنند . در لوله فوتومولتي پلاير :

۱-يك فوتون واحد كه بر روي دستگاه عمل مي كند يك الكترون واحد منتشر مي نمايد .
۲-اين الكترون از طريق يك ميدان الكتريكي شتاب داده مي شود تا اينكه به يك ماده هدف برخورد نمايد .
۳-اين برخورد با هدف باعث «فيلتراسيون ضربه اي» مي شود كه الكترون‌هاي متعددي را منتشر مي نمايد .
۴-اين الكترون ها از طريق ميدان شتاب مي گيرند و به هدف ديگر مي‌خورند .

۵-اين امر الكترون بيشتري منتشر مي كند و فرايند تكرار مي شود تا اينكه الكترون ها به يك عنصر جمع آوري كننده برخورد مي كند . لذا ، طي مراحل گوناگون ، يك فوتون به يك جريان از الكترون ها منجر مي شود .
APD ها با لوله هاي فوتومولتي پلاير فرق دارند . لوله‌هاي‌فوتومولتي‌‌ پلاير‌

لوله هاي خلاء با هدف هايي قرار گرفته در طول لوله مي باشند . APD‌ها از همان اصول استفاده مي كنند اما تكثير در داخل خود ماده نيمه هادي صورت مي گيرد . اين فرايند در APD ها منجر به يك تقويت داخلي بين ۷ تا ۱۰۰ برابر مي شود . هر دو الكترون و سوراخ ها (حفره ها) اكنون مي توانند به فرايند تقويت كمك نمايند . با اين حال ، يك مسئله كوچك وجود دارد . با نگاه به آشكار مي شود كه وقتي يك الكترون يك اتم را يونيزه مي‌كند يك الكترون اضافي و حفره اضافي توليد مي شود . الكترون به طرف چپ عكس حركت مي كند و حفره به سمت راست مي رود . اگر حفره در اتم يونيزه شود يك الكترون (و يك حفره) آزاد مي كند و الكترون به چپ حركت مي كند و دوباره شروع مي نمايد !‌

اگر سوراخ ها و حفره ها داراي فرصت برابر براي يونيزاسيون باشند مي‌توانيم يك بهمن كنترل نشده بدست آوريم كه هرگز متوقف نمي شود ! بنابراين وسايل طوري ساخته مي شوند كه يكي از حاملان بار داراي يك استعداد و آمادگي بيشتري براي يونيزاسيون نسبت به ديگري باشند .

نتيجه فرايند فوق آن است كه يك فوتون وارد شونده منفرد بتواند منجر به توليد بين ۱۰ تا ۱۰۰ و يا چندين جفت حفره – الكترون شود . موارد مهم درباره دستگاه فوق الذكر آن است كه ناحيه تكثير خيلي كوچك است و جذب داخل لايه n بجاي نزديك به اتصال رخ دهد . يعني ، جذب و تكثير در نواحي جداگانه اي صورت مي گيرند . شكل ۱۰۳ را ملاحظه كنيد . دو عامل مهم وجود دارد : ۱-استحكام ميدان الكتريكي مورد نياز خيلي بالا است( ) . در حضور چنين ميدان قوي اي ، نقائص در ناحيه تكثير (مثل عدم انطباق هاي شبكه اي ، ناخالصي ها و حتي تغييرات در غلظت دو پانت) مي توانند توليد نواحي كوچكي از تكثير كنترل شده موسوم

به «ميكروپلازماسي» نمايند . براي كنترل اين پديده ناحيه تكثير لازم است كوچك باشد . براي ايمني اين امر، حلقه محافظ فوق الذكر نصب شده است . در اطراف لبه هاي ناحيه تكثير شما مي توانيد بي نظمي هايي و نقائصي را در ماده ببينيد . بدون حلقه محافظ اين موارد بصورت محل هايي براي ميكروپلازماس عمل مي كنند . بعلاوه ، براي ايجاد يك ميدان الكتريكي با استحكام لازم ما لازم است يك ولتاژ باياس كاربردي بكار بريم كه با ضخامت ناحيه تكثير افزايش مي

يابد . (براي دو برابر ضخامن ناحيه – دو برابر ولتاژ كاربردي مورد نياز خواهد بود ) . دماي ولتاژها (ولتاژهاي بالاتر از ۱۲ ولت) گران قيمت بوده و به سختي در دستگاه‌هاي نيمه هادي كنترل مي شوند و بنابراين سعي مي كنيم ولتاژ كاربردي را حداقل نماييم ) . يك APD يك ديود P-i-n با يك باياس معكوس بسيار بالاست . يك باياس معكوس ۵۰ ولت براي اين دستگاه ها در مقايسه با ديودهاي p-i-n بكار رفته در مورد فوتوكانداكتيو ، مناسب است كه باياس معكوس شده براي حدود ۳ ولت است .(يا كمتر)

در گذشته ، APD ها در بازار به باياس معكوس چند صد ولت نياز داشتند اگرچه اخيراً‌ ولتاژهاي كمتري بدست آمده اند . تفاوت ساختاري اصلي بين APD و يك ديود p-i-n در ناحيه «i» است كه نام گذاري مجدد لايه p گرفته است . و بويژه ضخيم تر از يك ناحيه است و دستگاه براي تضمين يك ميدان الكتريكي يكنواخت در كل لايه طراحي مي شود . حلقه محافظ در اين شكل براي جلوگيري از تعامل (اندركش) هاي ناخواسته در طرف لبه هاي ناحيه تكثير مي باشد . دستگاه به اين صورت عمل مي كند :

فوتون هاي ورودي عمدتاً از اتصال n-p عبور مي كنند (چون خيلي نازك است ) و در لايه ها جذب مي شوند . اين جذب كننده يك الكترون آزاد در نوار باند هادي توليد مي كند و يك حفره در باند والانس (ظرفيت) توليد مي گردد .

پتانسيل الكتريكي در لايه n براي جذب الكترون ها به طرف يك كنتاكت و حفره به طرف كنتاكت ديگر ، كافي است . در شكل الكترون ها به طرف لايه n+ در بالاي دستگاه جذب مي شوند زيرا وقتي دستگاه باياس معكوس مي‌شود بار مثبت را حمل مي كند . گراديان پتانسيل در لايه n براي حامل هاي كاربرها بار كافي نيست و آنها نمي توانند انرژي كافي براي انجام تكثير را بدست آورند .

اطراف اتصال بين لايه هاي n+ و p ميدان الكتريكي بقدري شديد است كه حاملان بار (در اين مورد فقط الكترون ها) شتاب سريع مي گيرند و انرژي را بر مي دارند . وقتي اين الكترون ها (در حال حركت با انرژي زياد) با ساير اتم‌ها در شبكه برخورد مي كنند جفت هاي حفره – الكترون جديد توليد مي‌‌كنند . اين فرايند يونيزاسيون ضربه اي نام دارد و حاملان بار منفي كه جديداً آزاد شده اند(الكترون ها و حفره ها هر دو) شتاب مي گيرند (در جهات مخالف) و ممكن است مجدداً برخورد نمايند .

بدلايل فوق ناحيه اتصال خيلي نازك است و نمي تواند فوتون هاي برخوردي بسياري را جذب نمايد .
بسياري از APD ها طوري طراحي مي شوند كه لايه تهي سازي در كل ناحيه p تا مرز ناحيه n ادامه مي يابد . مواد مختلفي براي هر كدام از سه نوار باند طول موج مهم بكار برده مي شوند :

nm800 براي باند ميكرون :
در اين باند سيليكون معمولاً بكار مي رود ، اگرچه ژرمانيوم نيز بطور معقول منطقي و خوب كار مي كند . دستگاه هاي ژرمانيوم سطوح نويز بالاتر از دستگاه هاي سيليكوني توليد مي كنند . سيليكون داراي يك انرژي فاصله باند نسبتاً زياد بوده و فط براي طول موج هاي كمتر از حدود ۱ ميكرون بكار مي رود . در عمل ، طول موج هاي كوتاه فقط براي ارتباطات فاصله كوتاه (كمتر از ۵۰۰ متر) مصرف مي شوند . دقيق سازي در چندين فواصل كوتاهي عموماً براي حصول و بهره برداري از حساسيت يك APD كافي نمي باشد .