Diodo de avalancha de fotón único
Un diodo de avalancha de fotón único (SPAD) es un fotodetector de estado sólido dentro de la misma familia que los fotodiodos y los fotodiodos de avalancha (APD), aunque también está relacionado fundamentalmente con los comportamientos básicos de los diodos . Al igual que con los fotodiodos y los APD, un SPAD se basa en una unión pn de semiconductores que se puede iluminar con radiación ionizante como gamma, rayos X, partículas beta y alfa junto con una amplia porción del espectro electromagnético de ultravioleta (UV). a través de las longitudes de onda visibles y en el infrarrojo (IR).
En un fotodiodo, con un voltaje de polarización inversa bajo , la corriente de fuga cambia linealmente con la absorción de fotones, es decir, la liberación de portadores de corriente (electrones y/o huecos) debido al efecto fotoeléctrico interno . Sin embargo, en un SPAD, [1] [2] la polarización inversa es tan alta que se produce un fenómeno llamado ionización por impacto que puede provocar el desarrollo de una corriente de avalancha. Simplemente, un portador fotogenerado es acelerado por el campo eléctrico en el dispositivo a una energía cinética que es suficiente para superar la energía de ionización.del material a granel, eliminando electrones de un átomo. Una gran avalancha de portadores de corriente crece exponencialmente y puede activarse desde tan solo un portador iniciado por fotones. Un SPAD puede detectar fotones individuales proporcionando pulsos de activación de corta duración que se pueden contar. Sin embargo, también se pueden utilizar para obtener la hora de llegada del fotón incidente debido a la alta velocidad a la que se acumula la avalancha y al bajo jitter de sincronización del dispositivo .
La diferencia fundamental entre los SPAD y los APD o fotodiodos es que un SPAD está polarizado muy por encima de su voltaje de ruptura de polarización inversa y tiene una estructura que permite la operación sin daño ni ruido indebido. Si bien un APD puede actuar como un amplificador lineal, el nivel de ionización por impacto y avalancha dentro del SPAD ha llevado a los investigadores a comparar el dispositivo con un contador Geiger en el que los pulsos de salida indican un evento de activación o "clic". Por lo tanto, la región de polarización del diodo que da lugar a este comportamiento de tipo "clic" se denomina región de "modo Geiger ".
Al igual que con los fotodiodos, la región de longitud de onda en la que es más sensible es un producto de sus propiedades materiales, en particular, la banda prohibida de energía dentro del semiconductor . Muchos materiales, incluidos el silicio , el germanio y otros elementos III-V , se han utilizado para fabricar SPAD para la gran variedad de aplicaciones que ahora utilizan el proceso de avalancha fuera de control. Hay mucha investigación en este tema con actividad implementando sistemas basados en SPAD en tecnologías de fabricación de CMOS , [3] e investigación y uso de combinaciones de materiales III-V [4] para la detección de fotones individuales en longitudes de onda dedicadas.
Desde la década de 1970, las aplicaciones de SPAD han aumentado significativamente. Ejemplos recientes de su uso incluyen lidars , imágenes 3D de tiempo de vuelo (ToF), escaneo PET , experimentación de un solo fotón dentro de la física, microscopía de vida útil de fluorescencia y comunicaciones ópticas (particularmente distribución de clave cuántica ).
Los SPAD son dispositivos semiconductores basados en una unión p-n polarizada inversamente a un voltaje Va que excede el voltaje de ruptura V B de la unión ( Figura 1 ). [ aclaración necesaria ] [1] "En este sesgo, el campo eléctrico es tan alto [superior a 3 × 10 5V/cm] que un solo portador de carga inyectado en la capa de agotamiento puede desencadenar una avalancha autosostenida. La corriente aumenta rápidamente [tiempo de subida de subnanosegundos] hasta un nivel constante macroscópico en el rango de miliamperios. Si la portadora principal es fotogenerada, el borde de ataque del pulso de la avalancha marca [con fluctuación temporal de picosegundos] el tiempo de llegada del fotón detectado ". [1] La corriente continúa hasta que la avalancha se extingue al reducir el voltaje de polarización V D hasta o por debajo de VB : [ 1] el campo eléctrico inferior ya no puede acelerar los portadores para ionizar por impacto con la redátomos, por lo tanto, la corriente cesa. Para poder detectar otro fotón, el voltaje de polarización debe elevarse nuevamente por encima de la ruptura. [1]
