Überblick

• Grundlagen
• APD Lichtdetektoren
• PIN Lichtdetektoren
• Impuls- und Hochfrequenzverstärker

Grundlagen

Es gibt eine Vielzahl von Detektoren, um Lichtstrahlung in elektrische Ströme bzw. Spannungen umwandeln zu können. Diese Lichtdetektoren beruhen alle auf dem fotoelektrischen Effekt, bei dem durch Absorption von Lichtstrahlung (im Photonenbild ein quantisierter Vorgang) Elektronen in Festkörpermaterialien einen elektrischen Strom verursachen. Voraussetzung für den fotoelektrischen Effekt muß eine Photonenenergie W_ph=hf, mit f als Frequenz des Lichts, sein, die größer bzw. gleich der Bindungsenergie W_B von Elektronen der Festkörperatome ist.

Fotodioden

Eine Fotodiode besteht aus einem Halbleitermaterial eventuell in Kombination mit Metallen oder im Falle einer Fotodiodenvakuumröhre nur aus metallischen Materialien. Es gibt verschiedene Bauarten [1]:

• PIN-Fotodioden: Eine p- und n-dotierte Hableiterschicht ist durch eine (intrinsische) nichtdotierte getrennt.

  
  

• APD-Fotodioden: Wie PIN-Dioden, aber durch eine angelegtes hohes elektrisches Feld erfolgt in der intrinsischen Zone eine Verstärkung des Elektronenstroms durch elektronische Ionisation im Trägermaterial (Avalanche-Effekt).

  
  

• MSM-Fotodioden: MSM steht für "Metal-Semiconductor-Metal" und beschreibt den Aufbau der Diode mit einem Halbleitermaterial in Verbindung mit Metallen (Schottky-Diode).

  
  

Allen Dioden ist gemeinsam, das Licht in die sogenannte Raumladungszone, der Sperrschicht der Diode zwischen P- und N-Schicht eindringen kann, und in ihrer Umgebung Elektronen-Loch-Paare erzeugen kann. Die Eindringtiefe der Lichtstrahlung hängt von der Wellenlänge und dem umgebenden Material ab (wellenlängenabhängiger Absortionskoeffizient). Das vorherrschende elektrische Raumladungsfeld führt zu einer Trennung der (negativen) Elektronen zur N-Seite, und den (positiven) Ladungslöchern zur P-Seite. Es kann ein elektrischer Strom entstehen, der über einen Widerstand einen Spannungsabfall hervorruft [2].

Für eine maximale Quantenausbeute, d.h. der Teil der einfallenden Photonen, die ein Elektron-Loch-Paar in der Feldzone erzeugen, muß die gesamte einfallende Strahlung in der Feldzone absorbiert werden! Daraus ergibt sich, daß die Sperrschicht im Gegensatz zu normalen Gleichrichterdioden breit und oberflächennah ausgelegt sein muß. Die folgende Abbildung zeigt einen schematischen Aufbau einer PIN-Diode.

Je nach Frequenz der Lichtstrahlung ist der Ort der Entstehung von Ladungsträgern verschieden. Eine Ladungsträgergenerieung außerhalb der Raumladungszone, also im P- oder N-Bereich, trägt nicht nennenswert zum Fotostrom bei, da diese Ladungsträger (Elektronen und Löcher) relativ schnell wieder rekombinieren, was bei Ladungsträgern innerhalb dieser Zone nicht der Fall ist.

Der Fotostrom hängt bei gegebenen Strahlungsfeld über dem Absorptionskoeffizienten des Trägermaterials von der Wellenlänge ab. Das verwendete Halbleitermaterial bestimmt den nutzbaren Wellenlängenbereich, zu kurzen Wellenlängen durch die Absorption, zu langen Wellenlängen durch die Bandlückenenergie des Halbleiters begrenzt [2]:

Maßnahmen zur Maximierung des Wirkungsgrades (Quantenausbeute) sind:

• Geringe Oberflächenreflexion durch Beschichtung der Einstrahlfläche mit einer Antireflexschicht,

• oberflächennahe Lage des PN-Übergangs,

• eine breite Sperrschicht, die aber gleichzeitig die Ladungsträgerlaufzeit erhöht, was zu einem schlechteren Hochfrequenzverhalten führt.

Neben den konventionellen PIN-Fotodioden finden sog. AP-Dioden (APD=Avalanche photo diode) Einsatz. Sie entsprechen im Aufbau dem von PIN-Dioden. Durch einen Lawineneffekt, der durch ein äußeres hohes elektrische Feld (Hochspannung) initiert wird, erzeugen die durch Fotoeffekt generierten Elektronen-Loch-Paare neue Ladungsträger, die zum Fotodiodenstrom beitragen, was einer internen Verstärkung des Stroms entspricht. Der Lawineneffekt setzt hohe Feldstärken im Bereich von E = 1000 V/m voraus. Der Multiplikationsfaktor, und somit die effektive Empfindlichkeit der Fotodiode, ist abhängig von der Stärke des elektrischen Feldes, d.h. von der angelegten Sperrspannung im Bereich von 50-300V.

Neben den obigen statischen Parametern einer Fotodiode spielen bei der Detektion von Lichtimpulsen und modulierter Lichtstrahlung das dynamische Verhalten einer Fotodiode eine wesentliche Rolle. Bei sehr niedrigen Strahlungsintensitäten ist zudem das Eigenrauschen der Diode (und nachfolgender elektrischer Verstärker) eine nicht mehr vernachlässigbare Größe.

Das Rauschen einer Fotodiode setzt sich aus folgenden Anteilen zusammen:

• Quantenrauschen, das sich bereits im Signal befindet, und durch die gegebene Photonenstatistik dem eigentlichen Signal überlagert ist,
• Thermisches Rauschen: wird durch das Fotodiodenmaterial selbst verursacht, und ist temperaturabhängig.

Die Ursache des thermischen Rauschens liegt in der statistischen Trägerbewegung im thermodynamischen Gleichgewicht (auch ohne äußere Spannung). Thermisches Rauschen wird überwiegend durch den Bahnwiderstand einer Diode verursacht. Neben diesem Effekt ist noch das Generations-Rekombinationrauschen zu nennen, welches bei einer äußeren Spannung in Erscheinung tritt. Es resultiert aus den statistischen Eigenschaften der Ladungsträgergenerierung und Rekombination, welche zu Ladungsträgerschwankungen und somit zum Rauschen des Fotodiodenstroms führt. Das Schrotrauschen schließlich wird durch die statistische Bewegung von Ladungsträgern im Trägermaterial hervorgerufen.

Die beste Impulsantwort ergibt sich bei einer Anstiegszeit des Fotostroms die deutlich kleiner als die Anstiegszeit des einfallenden Lichtfeldes ist. Sowohl Si-PIN- als auch AP-Fotodioden können mit einer Frequenzbandbreite bis zu 1GHz und Anstiegszeiten bis zu 300 ps hergestellt werden. Bei gleichen dynamischen Eigenschaften besitzen AP-Dioden eine um den Faktor 50-200 höhere Empfindlichkeit als vergleichbare PIN-Dioden, jedoch ist das Eigenrauschen von APDs höher. Mit MSM-Dioden lassen sich hingegen Bandbreiten bis zu 100 GHz und Antiegszeiten bis zu 3 ps realisieren [1]. Jedoch besitzen diese MSM-Dioden eine geringere Empfindlichkeit aufgrund ihres Aufbaus.

Die Geschwindigkeit einer Fotodiode, insbesondere einer APD, auf schnelle Impulse zu reagieren hängt von der Beweglichkeit der Elektronen und Löcher ab. Neben dieser internen Eigenschaft beeinflußt die Kapazität einer Fotodiode maßgeblich das Verhalten bei hohen Frequenzen. Die Kapazität einer Fotodiode wird durch ihre Fläche und einer extern angelegten Sperrspannung beeinflußt. Die Kapazität wächst mit der Fläche und nimmt mit steigender Sperrspannung ab. Zudem führt eine erhöhte Kapazität zu einem verstärkten Eingangsrauschen eines nachfolgenden Verstärkers.

Die obere Frequenzgrenze, und somit die niedrigste erzielbare Anstiegszeit, ist nicht nur durch die Fotodiode selbst, sondern auch durch die externe Beschaltung gegeben:

• intern: Trägerlaufzeit durch die Raumladungszone, proportional zur Dicke der Sperrschicht, die aber spannungsabhängig ist, (10..100ps)

• intern: Trägerlaufzeit vom Generationsort außerhalb der Raumladungszone (P/N-Schicht) zur Raumladungszone, meist gegeben durch einen Diffusionsprozess, und hängt dann quadratisch von der Dicke der Schicht ab (10..100ps),

• extern: Die RC-Zeitkonstante, die durch die Fotodiodenkapazität und dem externen Widerstand gebildet wird, durch den der Fotodiodenstrom in eine Spannung umgesetzt wird. Diese Zeitkonstante dominiert meist und kann deutlich größer sein als die ersten beiden Punkte.

Nachfolgend werden eine Reihe im eigenen Labor entwickelten Lichtdetektoren und Hilfsschaltungen wie Hochfrequenzverstärkern dargestellt.

Avalanche Lichtdetektoren

Fotodetektoren, die eine interne Ladungsträgerverstärkung ausnutzen, können zur Detektion schwacher Lichtsignale, wie sie z.B. bei der Messung von Streulicht einer in großem Abstand befindlichen Oberfläche auftreten, vorteilhaft genutzt werden. Bei den APD-Detektoren muß in Abhängigkeit von der Sperrspannung zwei betriebsarten unterschieden werden:

1. Der lineare Verstärkungsbereich: hier ist der Ausgangstrom proportional zur einfallenden Lichtintensität (d.h. der Photonendichte),

2. und dem Geiger-Bereich, der oberhalb der sog. Durchbruchspannung der Diode liegt, und nicht mehr proportional zur einfallenden Photonenintensität ist. Stattdessen kann ein einzelnes Photon einen meßbaren Stromimpuls auslösen, mit einer Wahrscheinlichkiet, die dem Quantenwirkungsgrad der Diode entspricht.

Im folgenden sollen nur Lichtdetektoren behandelt werden, die im linearen Detektionsbereich arbeiten. Der Geiger-Bereich bedarf i.A. keiner Nachverstärkung, dafür aber einer externen Beschaltung, die das "Löschen" des durch den Lawineneffekt hervorgerufenen Stromimpulses ermöglicht. Diese Betriebsart wird zum Photonenzählen eingesetzt, z.B. für Koinzidenzmessungen. Der lineare Verstärkungsbereich ist, wie eingangs bereits erwähnt, abhängig von der Sperrspannung. Die nachfolgende Abbildung zeigt exemplarisch die Verstärkung einer Si-APD bei Raumtemperatur relativ zur Empfindlichkeit von 0.5 A/W einer vergleichbaren PIN-Diode.

Der Verstärkungsfaktor ist in Näherung ein exponentieller Zusammenhang mit der Sperrspannung, und abhängig von der Temperatur. Eine Temperaturkompensation der Sperrspannung mit der Diodenchiptemperatur ist daher für einen reproduzierbaren Betrieb der APD erforderlich.

Schnelles Avalanche Diodenmodul

I.) Technische Daten

II.) Technologie

• Verwendung von aktiver Modultechnik und (einstellbare) Vorverstärkung durch Elektronenvervielfachung in der aktiven Zone der Fotodiode.
• Entkopplung und Verstärkung des Fotodiodensignals mit rauscharmer und breitbandiger MMIC-Verstärker Technologie.
• Ankopplung der Fotodiode über Strom-Spannungs-Wandler mit niedriger Impedanz für hohe Bandbreite und niedrige Anstiegszeit bei impulsförmigen Signalen.
• Externe Einkopplung der Hochspannung für Betrieb der APD-Fotodiode.
• Anpassung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers durch Mikrostreifenleitertechnik.
• Ausgangspannung ist invertiert.

III.) Schematischer Aufbau

IV.) Abbildung

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V.) Messungen

Gemessene Impulsantwort des APD-Detektors in Kombination mit dem folgend dargestellten HF-Verstärker. Der impulsförmige Verlauf des einfallenden Lichtes wurde mit einer gepulsten Laserdiode (Wellenlänge 905nm), die mittels einer Avalanche-Entladung betrieben wurde, erzeugt. Die Anstiegszeit der Laserdiode wird mit 1ns angegeben (Herstellerangaben). Statt einer direkten Beleuchtung der APD (bei 2W Laserpulsleistung auch nicht möglich) wurde stattdessen das Streulicht einer diffusen Oberfläche aufgenommen. Die Anstiegszeit des detektierten Impulses (gemessen am Ausgang des nachgeschalteten HF-Verstärkers) liegt bei ca. 1.7 ns. Die langsame abfallende Flanke ist Folge der Laserdiodensteuerung, und nicht des Impulsverhaltens des APD-Detektors. Das verwendete Digitaloszilloskop hat eine interne Anstiegszeit von 300ps.

PIN Lichtdetektoren

Großflächiges passives Detektormodul in Koaxialtechnik

I.) Technische Daten

II.) Abbildung

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Aktives Modul: Schneller Fotodetektor mit PIN-Fotodiode und Vorverstärker in Koaxialtechnik

I.) Technische Daten

II.) Technologie

• Verwendung von aktiver Modultechnik.
• Aufbau in koaxialer Gehäusetechnik.

  Vorteile:

  • kompakte Bauform
  • minimierte Schwingungsneigung der Vorverstärker

• Entkopplung und Verstärkung des Fotodiodensignals mit rauscharmer und breitbandiger MMIC-Verstärker Technologie.
• Ankopplung der Fotodiode über Strom-Spannungs-Wandler mit niedriger Impedanz für hohe Bandbreite und niedrige Anstiegszeit von Impulsen.
• Anpassung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers durch Mikrostreifenleitertechnik.

III.) Abbildung

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Impuls- und Hochfrequenzverstärker

• Externe Nachverstärkung von Wechselspannungen (z.B. von obigen Fotodiodenmodulen) mit großer Bandbreite und schneller Impulsanstiegszeit.
• Verwendung von MMIC-Verstärkertechnologie.

Kompakter Miniverstärker

I.) Technische Daten

II.) Schematischer Aufbau

III.) Abbildung

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IV.) Messungen

Gemessener Frequenzgang der Spannungsverstärkung bei einer Ein- und Ausgangsimpedanz von 50 Ohm des obigen HF-Verstärkers. Genauigkeit: +-0.5dB.

Literatur

[1]

Ari Kilpelä
Pulsed Time-Of-Flight Laser Range Finder Techniques for fast, high precision measurement applications
Dissertation, 2004, Oulun Yliopisto

[2]

Reinhold Paul
Optoelektronische Halbleiterbaulemente
Teubner Studienskripte, 1992