Jak důležitá je rychlost odezvy diod v optických diagnostických zařízeních?

1, Technický princip: Fyzikální podstata rychlosti odezvy
Rychlost odezvy diody je v podstatě komplexním odrazem procesů generování, přenosu a rekombinace fotogenerovaných nosičů náboje. Když energie fotonu překročí šířku bandgap polovodičového materiálu, elektrony valenčního pásu přejdou do vodivostního pásu a vytvoří páry elektronových děr, které generují fotoproud působením vestavěného- elektrického pole. Tento proces zahrnuje tři klíčové časové parametry:

Doba generování nosiče: Kvůli vlivu koeficientu absorpce materiálu mohou materiály s přímým bandgap, jako je arsenid galia (GaAs), dokončit absorpci fotonů a generaci nosiče v pikosekundách, zatímco materiály s nepřímým bandgap, jako je křemík, vyžadují nanosekundy.
Doba průchodu nosiče: PIN diody zkracují transportní dráhu nosiče na úroveň mikrometrů optimalizací tloušťky vnitřní vrstvy a u materiálů s vysokou pohyblivostí elektronů, jako je fosfid india InP, lze dobu průchodu řídit v rozmezí 10 ps.
Kapacitní efekt přechodu: Parazitní kapacita diody bude tvořit RC zpoždění. Použitím heteropřechodové struktury a technologie povrchové pasivace může být kapacita přechodu snížena pod 0,1 pF, což výrazně zlepšuje schopnost vysoko-frekvenční odezvy.
Vezmeme-li jako příklad aplikaci osciloskopu Tektronix při testování lidaru, jeho lavinová fotodioda (APD) může dosáhnout doby odezvy 0,5 ns na vlnové délce 1550 nm prostřednictvím mechanismu vnitřního zesílení a může přesně zachytit dobu oběhu nanosekundového laserového pulsu s 20 GHz šířkou pásma osciloskopu, takže systém automatického řízení dokáže získat přesnost polohy 20 centimetrů na vzdálenost 20 cm.

2, Scénář aplikace: Rychlost určuje efektivitu systému
1. Testování průmyslové automatizace
Při detekci povrchových defektů produktů 3C používá lineární CCD kamera pole fotodiod InGaAs s dobou odezvy 2 ns v kombinaci s frekvencí řádkového skenování 100 kHz k dokončení rozpoznání defektů na úrovni mikrometrů panelů velikosti A4 během 0,1 sekundy. Společnost vyrábějící polovodičové obaly zlepšila svou propustnost detekce waferů z 300 waferů za hodinu na 800 waferů za hodinu upgradem na 0,5 ns citlivý APD senzor, což má za následek 37% zvýšení celkové účinnosti zařízení (OEE).

2. Lékařská zobrazovací diagnostika
V zařízení OCT (Optical Coherence Tomography) využívá vyvážený detektor diferenciální strukturu duální PIN diody, která dosahuje axiálního rozlišení 15 μm při vlnové délce 1310 nm s dobou odezvy 0,3 ns. Po upgradu očního OCT systému lze jasně rozlišit desetivrstvou strukturu sítnice, což zlepšuje přesnost časné diagnostiky diabetické retinopatie ze 78 % na 92 ​​%.

3. Laserový komunikační systém
V optickém modulu 100 Gbps dosahuje PIN dioda kombinovaná s transimpedančním zesilovačem (TIA) doby odezvy 0,8 ns při vlnové délce 1550 nm, což zajišťuje, že stupeň otevření a zavření oka je větší než 80 % a bitová chybovost (BER) je lepší než 10 ⁻¹ ². Datové centrum nasadilo tuto technologii ke zvýšení přenosové kapacity jednoho vlákna ze 40 Tb/s na 100 Tb/s, což snižuje spotřebu energie na jednotku bitu o 42 %.

4. Oblast monitorování životního prostředí
V atmosférickém detekčním systému LIDAR se používá pole APD s dobou odezvy 0,2 ns v kombinaci s 532nm laserovými pulzy k monitorování distribuce koncentrace aerosolu v reálném-čase ve výškovém dosahu 20 km. Po modernizaci vybavení meteorologické oddělení prodloužilo čas předpovědi PM2,5 z 6 hodin na 24 hodin, čímž se zvýšila přesnost předpovědi o 18 procentních bodů.

3, Optimalizace výkonu: vícerozměrné technologické průlomy
1. Inovace materiálu
Diody na bázi nitridu galia (GaN) dosahují odezvy 0,1 ns při vlnové délce 405 nm, což je pětkrát více než u tradičních materiálů GaAs. Byly použity ve čtecích hlavách DVD s modrým světlem a podvodní laserové komunikaci.
Materiály Quantum dot rozšiřují rozsah vlnových délek diodové odezvy na 300-2000nm úpravou šířky bandgap, čímž splňují požadavky multispektrální diagnostiky.
2. Strukturální optimalizace
Struktura zesílená povrchovým plazmonem zvyšuje účinnost fotoelektrické konverze o 30 % prostřednictvím efektu zesílení lokalizovaného pole kovových nanočástic, při zachování rychlosti odezvy 0,5 ns.
Technologie 3D integrace vertikálně skládá diody s čipy TIA, čímž snižuje parazitní kapacitu o 60 % a dosahuje šířky pásma odezvy modulu přesahující 30 GHz.
3. Zlepšení procesů
Technologie molekulárního paprsku epitaxe (MBE) dokáže řídit přípravu polovodičových vrstev s plochostí na atomární úrovni, snižuje temný proud na 0,1 nA a zlepšuje poměr signálu -k{2}}šumu o 20 dB.
Technologie hlubokého reaktivního iontového leptání (DRIE) dosahuje strukturního zpracování v mikroměřítku, snižuje kapacitu přechodu diod na 0,05 pF a výrazně zlepšuje vysoko-frekvenční charakteristiky.