Aká dôležitá je rýchlosť odozvy diód v optických diagnostických zariadeniach?

1, Technický princíp: Fyzikálna podstata rýchlosti odozvy
Rýchlosť odozvy diódy je v podstate komplexným odrazom procesov generovania, prenosu a rekombinácie fotogenerovaných nosičov náboja. Keď energia fotónu presiahne šírku pásma polovodičového materiálu, elektróny valenčného pásma prechádzajú do vodivého pásma a vytvárajú páry elektrónových dier, pričom pôsobením zabudovaného- elektrického poľa generujú fotoprúd. Tento proces zahŕňa tri kľúčové časové parametre:

Čas generovania nosiča: V dôsledku vplyvu koeficientu absorpcie materiálu môžu materiály s priamym bandgap, ako je arzenid gália (GaAs), dokončiť absorpciu fotónov a generovanie nosiča v pikosekundách, zatiaľ čo materiály s nepriamym bandgap, ako je kremík, vyžadujú nanosekundy.
Čas prechodu nosiča: Diódy PIN skracujú transportnú dráhu nosiča na úroveň mikrometrov optimalizáciou vnútornej hrúbky vrstvy a pri materiáloch s vysokou pohyblivosťou elektrónov, ako je fosfid india InP, možno čas prenosu ovládať v rámci 10 ps.
Kapacitný efekt spoja: Parazitná kapacita diódy bude tvoriť RC oneskorenie. Použitím heterojunkčnej štruktúry a technológie povrchovej pasivácie je možné znížiť kapacitu prechodu pod 0,1 pF, čím sa výrazne zlepší schopnosť vysoko-frekvenčnej odozvy.
Ak si vezmeme ako príklad aplikáciu osciloskopu Tektronix pri testovaní lidaru, jeho lavínová fotodióda (APD) môže dosiahnuť čas odozvy 0,5 ns pri vlnovej dĺžke 1550 nm prostredníctvom interného mechanizmu zosilnenia a dokáže presne zachytiť čas obehu nanosekundového laserového impulzu s 20 GHz šírkou pásma osciloskopu, aby sa zabezpečila presnosť polohy automatického riadenia 20 centimetrov.

2, Scenár aplikácie: Rýchlosť určuje efektivitu systému
1. Testovanie priemyselnej automatizácie
Pri detekcii povrchových defektov produktov 3C používa lineárna CCD kamera pole fotodiód InGaAs s dobou odozvy 2ns v kombinácii so 100 kHz čiarovou skenovacou frekvenciou na dokončenie rozpoznania defektov na úrovni mikrometrov panelov veľkosti A4 do 0,1 sekundy. Spoločnosť zaoberajúca sa balením polovodičov zlepšila svoju priepustnosť detekcie plátkov z 300 plátkov za hodinu na 800 plátkov za hodinu inováciou na 0,5 ns citlivý snímač APD, čo má za následok 37 % zvýšenie celkovej účinnosti zariadenia (OEE).

2. Lekárska zobrazovacia diagnostika
V zariadení OCT (Optical Coherence Tomography) využíva vyvážený detektor diferenciálnu štruktúru dvojitej PIN diódy, čím sa dosahuje axiálne rozlíšenie 15 μm pri vlnovej dĺžke 1310 nm s dobou odozvy 0,3 ns. Po upgrade oftalmického OCT systému je možné jasne rozlíšiť desaťvrstvovú štruktúru sietnice, čo zlepšuje presnosť včasnej diagnostiky diabetickej retinopatie zo 78 % na 92 ​​%.

3. Laserový komunikačný systém
V 100Gbps optickom module dosahuje PIN dióda kombinovaná s transimpedančným zosilňovačom (TIA) čas odozvy 0,8 ns pri vlnovej dĺžke 1550 nm, čím zaisťuje, že stupeň otvorenia a zatvorenia oka je väčší ako 80 % a bitová chybovosť (BER) je lepšia ako 10 ⁻¹ ². Dátové centrum nasadilo túto technológiu na zvýšenie prenosovej kapacity jedného vlákna zo 40 Tb/s na 100 Tb/s, čím sa spotreba energie na jednotku bitov znížila o 42 %.

4. Oblasť monitorovania životného prostredia
V atmosférickom detekčnom systéme LIDAR sa používa pole APD s dobou odozvy 0,2 ns v kombinácii s laserovými impulzmi 532 nm na monitorovanie distribúcie koncentrácie aerosólu v reálnom-čase vo výške 20 km. Po modernizácii vybavenia meteorologické oddelenie predĺžilo čas predpovede PM2,5 zo 6 hodín na 24 hodín, čím sa presnosť predpovede zvýšila o 18 percentuálnych bodov.

3, Optimalizácia výkonu: viacrozmerné technologické objavy
1. Inovácia materiálu
Diódy na báze nitridu gália (GaN) dosahujú odozvu 0,1 ns pri vlnovej dĺžke 405 nm, čo je päťkrát viac ako pri tradičných materiáloch GaAs. Boli aplikované v modrých svetelných DVD čítacích hlavách a podvodnej laserovej komunikácii.
Materiály s kvantovými bodkami rozširujú rozsah vlnových dĺžok odozvy diód na 300-2000 nm úpravou šírky bandgap, čím spĺňajú požiadavky multispektrálnej diagnostiky.
2. Štrukturálna optimalizácia
Štruktúra zosilnená povrchovým plazmónom zvyšuje účinnosť fotoelektrickej konverzie o 30 % prostredníctvom efektu zosilnenia lokalizovaného poľa kovových nanočastíc pri zachovaní rýchlosti odozvy 0,5 ns.
Technológia 3D integrácie vertikálne skladá diódy s čipmi TIA, čím sa znižuje parazitná kapacita o 60 % a dosahuje sa šírka pásma odozvy modulu presahujúca 30 GHz.
3. Zlepšenie procesov
Technológia molekulárneho lúča epitaxy (MBE) dokáže riadiť prípravu polovodičových vrstiev s plochosťou na atómovej úrovni, pričom znižuje temný prúd na 0,1 nA a zlepšuje pomer signálu -k{2}}šumu o 20 dB.
Technológia hlbokého reaktívneho iónového leptania (DRIE) dosahuje štrukturálne spracovanie v mikromeradle, znižuje kapacitu prechodu diód na 0,05 pF a výrazne zlepšuje vysoko-frekvenčné charakteristiky.