Photodiode avec amplification interne du signal par processus d'avalanche. Les photodiodes à avalanche sont des détecteurs de lumière à semi-conducteurs (photodiodes) qui fonctionnent à des tensions inverses relativement élevées (généralement de l'ordre de dizaines voire de centaines de volts), parfois légèrement inférieures au seuil. Dans cette gamme, les porteurs (électrons et trous) excités par les photons absorbants sont accélérés par un fort champ électrique interne et génèrent alors des porteurs secondaires, ce qui arrive souvent dans les tubes photomultiplicateurs. Le processus d'avalanche ne se produit que sur une distance de quelques micromètres et le photocourant peut être amplifié plusieurs fois. Par conséquent, les photodiodes à avalanche peuvent être utilisées comme détecteurs très sensibles, nécessitant moins d'amplification du signal électronique et donc moins de bruit électronique. Cependant, le bruit quantique et le bruit d'amplification inhérents au processus d'avalanche annulent les avantages mentionnés précédemment. Le bruit additif peut être décrit quantitativement par le facteur de bruit additif, F, qui est un facteur qui caractérise l'augmentation de la puissance du bruit électronique par rapport à un photodétecteur idéal. Il convient de noter que le facteur d'amplification et la sensibilité effective de l'APD sont très liés à la tension inverse, et les valeurs correspondantes des différents appareils sont différentes. Par conséquent, il est courant de caractériser une plage de tension dans laquelle tous les appareils atteignent une certaine sensibilité. La bande passante de détection des diodes à avalanche peut être très élevée, principalement en raison de leur sensibilité élevée, permettant l'utilisation de résistances shunt plus petites que dans les photodiodes normales. D'une manière générale, lorsque la bande passante de détection est élevée, les caractéristiques de bruit de l'APD sont meilleures que la photodiode PIN ordinaire, puis lorsque la bande passante de détection est inférieure, la photodiode PIN et un amplificateur à bande étroite à faible bruit fonctionnent mieux. Plus le facteur d'amplification est élevé, plus le facteur de bruit supplémentaire, qui est obtenu en augmentant la tension inverse, est élevé. Par conséquent, la tension inverse est généralement choisie de sorte que le bruit du processus de multiplication soit approximativement égal à celui de l'amplificateur électronique, car cela minimisera le bruit global. L'amplitude du bruit additif est liée à de nombreux facteurs : l'amplitude de la tension inverse, les propriétés du matériau (en particulier, le rapport du coefficient d'ionisation) et la conception du dispositif. Les diodes à avalanche à base de silicium sont plus sensibles dans la région de longueur d'onde de 450 à 1000 nm (peut parfois atteindre 1100 nm), et la réactivité la plus élevée se situe dans la plage de 600 à 800 nm, c'est-à-dire que la longueur d'onde dans cette région de longueur d'onde est légèrement plus petite que celle des diodes Si p-i-n. Le facteur de multiplication (également appelé gain) des Si APD varie entre 50 et 1000 selon la conception de l'appareil et la tension inverse appliquée. Pour des longueurs d'onde plus longues, les APD nécessitent des matériaux d'arséniure de germanium ou d'indium gallium. Ils ont des facteurs de multiplication de courant plus petits, entre 10 et 40. Les APD InGaAs sont plus chers que les APD Ge, mais ont de meilleures caractéristiques de bruit et une bande passante de détection plus élevée. Les applications typiques des photodiodes à avalanche incluent les récepteurs dans les communications par fibre optique, la télémétrie, l'imagerie, les scanners laser à grande vitesse, les microscopes laser et la réflectométrie optique dans le domaine temporel (OTDR).
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