हिमस्खलन फोटोडायोड क्या है? | इसके 5+ महत्वपूर्ण उपयोग और विशेषताएं

हिमस्खलन फोटोडायोड परिभाषा

हिमस्खलन फोटोडायोड या एपीडी अत्यधिक संवेदनशील अर्धचालक उपकरण हैं जो ऑप्टिकल संकेतों को विद्युत संकेतों में बदलते हैं। ये उच्च रिवर्स बायस के तहत संचालित होते हैं। 'हिमस्खलन' शब्द हिमस्खलन टूटने की घटना से आया है।

हिमस्खलन फोटोडायोड प्रतीक

हिमस्खलन फोटोडायोड का प्रतीक जेनर डायोड के समान ही होता है।

हिमस्खलन फोटोडायोड संरचना

साधारण हिमस्खलन फोटोडायोड की संरचना पिन फोटोडायोड के समान होती है। इसमें दो भारी मात्रा में डोप किए गए (p+ और n+ क्षेत्र) और दो हल्के डोप किए गए (I या आंतरिक क्षेत्र और P क्षेत्र) क्षेत्र शामिल हैं। आंतरिक क्षेत्र में रिक्तीकरण परत की चौड़ाई एपीडी में पिन फोटोडायोड की तुलना में अपेक्षाकृत पतली होती है। p+ क्षेत्र एनोड की तरह कार्य करता है, और n+ कैथोड की तरह कार्य करता है। रिवर्स बायस ज्यादातर pn+ क्षेत्र में लागू होता है।

हिमस्खलन फोटोडायोड सर्किट आरेख

रिवर्स बायस शर्तों को लागू करने के लिए, p+ क्षेत्र नकारात्मक टर्मिनल से जुड़ा है, और n+ क्षेत्र बैटरी के सकारात्मक टर्मिनल से जुड़ा है।

हिमस्खलन फोटोडायोड कार्य सिद्धांत

• हिमस्खलन टूटना तब होता है जब डायोड उच्च रिवर्स वोल्टेज के अधीन है.
• रिवर्स बायस वोल्टेज रिक्तीकरण परत में विद्युत क्षेत्र को बढ़ाता है।
• आपतित प्रकाश p+ क्षेत्र में प्रवेश करता है और आगे अत्यधिक प्रतिरोधक p क्षेत्र में अवशोषित हो जाता है। यहाँ इलेक्ट्रान-होल युग्म उत्पन्न होते हैं।
• तुलनात्मक रूप से कमजोर विद्युत क्षेत्र इन युग्मों के बीच अलगाव का कारण बनता है। इलेक्ट्रॉन और छिद्र अपने संतृप्ति वेग के साथ pn+ क्षेत्र की ओर बहाव करते हैं जहाँ एक उच्च विद्युत क्षेत्र मौजूद होता है।
• जैसे-जैसे वेग अधिकतम होता है, वाहक अन्य परमाणुओं से टकराते हैं और नए इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े उत्पन्न करते हैं। बड़ी संख्या में एह जोड़े के परिणामस्वरूप उच्च फोटोक्रेक्ट होता है।

हिमस्खलन फोटोडायोड लक्षण

• एपीडी में आंतरिक क्षेत्र थोड़ा पी-टाइप डोप किया गया है। इसे भी कहा जाता है ?-क्षेत्र.
• n+ क्षेत्र सबसे पतला है, और यह एक खिड़की के माध्यम से प्रकाशित होता है।
• pn+ जंक्शन पर विद्युत क्षेत्र अधिकतम होता है, और फिर यह p क्षेत्र से घटने लगता है। इसकी तीव्रता ?-क्षेत्र में कम हो जाती है और p+ परत के अंत में धीरे-धीरे लुप्त हो जाती है।
• यहां तक ​​​​कि अवशोषित एक भी फोटॉन बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की पीढ़ी की ओर जाता है। इसे कहा जाता है आंतरिक लाभ प्रक्रिया
• आवेश वाहकों के आपस में टकराने के कारण अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन-छेद युग्म उत्पन्न होना कहलाता है हिमस्खलन गुणन। गुणन कारक या लाभ,

एम = मैं_ph/I_फोटो

कहा पे i_ph= गुणा APD photocurrent

            i_फोटो=गुणन से पहले फोटोकुरेंट

एम मान दृढ़ता से निर्भर करता है विपरीत पूर्वाग्रह और तापमान भी।

हिमस्खलन फोटोडायोड ऑपरेशन

एपीडी पूरी तरह से समाप्त मोड में संचालित होते हैं। रैखिक हिमस्खलन मोड के अलावा, APDs में भी काम कर सकते हैं गीजर मोड. ऑपरेशन के इस मोड में, फोटोडायोड ब्रेकडाउन वोल्टेज से ऊपर वोल्टेज पर संचालित होता है। हाल ही में एक और मोड पेश किया गया है, जिसे सब-गीजर मोड कहा जाता है। यहां सिंगल-फोटॉन संवेदनशीलता के साथ, आंतरिक लाभ भी बहुत अधिक है, ब्रेकडाउन के ठीक नीचे।

हिमस्खलन फोटोडायोड्स में प्रभाव आयनीकरण 

फोटॉनों के ?-लेयर में अवशोषित होने के बाद, पर्याप्त संख्या में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े बनते हैं। विद्युत क्षेत्र युग्मों को अलग करता है, और स्वतंत्र आवेश वाहक n+ और p+ क्षेत्रों की ओर चलते हैं। पी क्षेत्र में, इलेक्ट्रॉनों को एक विशाल विद्युत क्षेत्र का अनुभव होता है। इस क्षेत्र के प्रभाव में, इलेक्ट्रॉन अपने संतृप्ति वेग के साथ बहते हैं और टकराते हैं। यह टक्कर चार्ज गुणन में मदद करती है। इस समग्र घटना को कहा जाता है प्रभाव आयनीकरण.

आयनीकरण दर, के = α / β

कहा पे ⍺= इलेक्ट्रॉनों की दर

            ꞵ= छिद्रों की दर  

हिमस्खलन फोटोडायोड आरेख

हिमस्खलन फोटोडायोड डेटाशीट

हिमस्खलन फोटोडायोड मॉड्यूल

APDs मॉड्यूल का हिस्सा होते हैं जिनमें फोटोडायोड के अलावा अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक तत्व होते हैं। कुछ पैकेजों में एक ट्रांस-प्रतिबाधा ऑप-एम्प हो सकता है जो प्रदर्शन में सुधार करता है और बैंडविड्थ और जवाबदेही को बढ़ाता है। कुछ पैकेज ऑप्टिकल फाइबर में उपयोग करने के लिए अनुकूलित हैं। कुछ बेहतर स्थिरता प्रदान करने के लिए थर्मोसेंसर शामिल करते हैं।

हिमस्खलन फोटोडायोड सरणी

हिमस्खलन फोटोडायोड सरणियाँ आकार में छोटी होती हैं और लीज गेन भी देती हैं। ये विशेष रूप से LIDAR, लेजर रेंजफाइंडर, आदि में उपयोग के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। हालाँकि APD सरणियाँ अभी तक मुख्यधारा के उत्पाद नहीं हैं, कुछ निर्माता इन्हें अपनी अनूठी विशेषताओं के कारण बना रहे हैं।

हिमस्खलन फोटोडायोड शोर

एपीडी में शोर के प्राथमिक घटक हैं 

• क्वांटम या शॉट शोर (i_Q): हिमस्खलन प्रक्रिया इसके पीछे प्राथमिक कारण है। 
• डार्क करंट शोर: एक फोटोडायोड में प्रकाश की अनुपस्थिति से डार्क करंट शोर उत्पन्न होता है। इसे आगे में वर्गीकृत किया जा सकता है थोक वर्तमान शोर (i_DB) और सतह वर्तमान शोर (i_DS).
• थर्मल शोर: यह फोटोडायोड से जुड़े एम्पलीफायर का शोर है।

वाहक गुणन के कारण, मौजूदा शोर में महत्वपूर्ण शोर जोड़ा जाता है। इसे यह भी कहा जाता है अतिरिक्त शोर कारक or ENF.

ईएनएफ या एफ (एम)= केएम + (2-1/एम)(1-के)

कहा पे एम = गुणन कारक

            के = प्रभाव आयनीकरण गुणांक

इसलिए कुल शोर का माध्य वर्ग मान value i_N एपीडी में है,

कहा पे 

q= एक इलेक्ट्रॉन का आवेश

I_p= प्रकाश धारा

बी = बैंडविड्थ

एम = गुणन कारक

I_D= बल्क डार्क करंट

I_L= सतह रिसाव वर्तमान

ट्रांस-प्रतिबाधा एम्पलीफायर में थर्मल शोर है,

कहा पे k_B= बोल्ट्जमान स्थिरांक

           टी = पूर्ण तापमान

           R_L= भार प्रतिरोध

पिन और हिमस्खलन फोटोडायोड के बीच अंतर | हिमस्खलन फोटोडायोड बनाम पिन फोटोडायोड

हिमस्खलन फोटोडायोड एम्पलीफायर

पिन फोटोडायोड की तरह, एपीडी भी कम शोर, उच्च प्रतिबाधा और कम बिजली की खपत के लिए चार-चैनल ट्रांस-प्रतिबाधा एम्पलीफायर का उपयोग करते हैं। कुछ एम्पलीफायर तापमान लचीलापन और उच्च विश्वसनीयता भी प्रदान करते हैं। ये सभी विशेषताएँ फोटोडायोड को LIDAR रिसीवर्स में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाती हैं।

हिमस्खलन फोटोडायोड डिटेक्टर

एपीडी को उनकी बढ़ी हुई संवेदनशीलता के लिए प्रकाश पहचान में पिन फोटोडायोड पर पसंद किया जाता है। जैसा कि अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज दिया जाता है, चार्ज वाहक की संख्या बढ़ जाती है, और वे मजबूत विद्युत क्षेत्रों के प्रभाव में त्वरित होते हैं। आंतरिक टकराव होता है, और चार्ज गुणन होता है। नतीजतन, photocurrent मूल्य बढ़ जाता है, जो समग्र फोटो-पहचान प्रक्रिया में सुधार करता है।

ऑप्टिकल फाइबर संचार में हिमस्खलन फोटोडायोड

ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों में, आमतौर पर कमजोर संकेतों का पता लगाने के लिए एपीडी की आवश्यकता होती है। उच्च को बनाए रखने वाले कमजोर संकेतों का पता लगाने के लिए सर्किटरी को पर्याप्त रूप से अनुकूलित किया जाना चाहिए एसएनआर (सिग्नल से शोर अनुपात)। यहाँ,

एसएनआर = (फोटोकरंट से बिजली/फोटोडेटेक्टर की शक्ति) + एम्पलीफायर शोर की शक्ति

एक अच्छा एसएनआर प्राप्त करने के लिए, क्वांटम दक्षता उच्च होनी चाहिए। चूंकि यह मान अधिकतम मान के करीब है, इसलिए अधिकांश संकेतों का पता लगाया जाता है।

एपीडी और पीएमटी के बीच तुलना | हिमस्खलन फोटोडायोड बनाम फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब

एपीडी और शमन सर्किट 

1. निष्क्रिय शमन सर्किट: इस प्रकार का सर्किट ब्रेकडाउन पल्स को बुझाने के लिए लोड रेसिस्टर, एक निष्क्रिय तत्व का उपयोग करता है। फोटोइलेक्ट्रॉन हिमस्खलन को ट्रिगर करते हैं। हिमस्खलन क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों या छिद्रों की कमी से बचने के लिए सर्किट के माध्यम से एक बड़ी धारा प्रवाहित की जाती है, और डायोड संवाहक अवस्था में रहता है।

2. सक्रिय शमन सर्किट: जबकि डायोड पुनर्भरण किया जाता है, तो किसी अन्य फोटोइलेक्ट्रॉन के टकराने की संभावना बहुत कम होती है। डेड-टाइम को कम करने के लिए 'सक्रिय शमन' किया जाता है। पूर्वाग्रह वोल्टेज अस्थायी रूप से गिरा दिया जाता है, और यह देरी सभी इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के संग्रह की अनुमति देती है। जब फिर से वोल्टेज बढ़ाया जाता है, तो कोई भी इलेक्ट्रॉन अवक्षय क्षेत्र में नहीं रहता है।

InGaAs हिमस्खलन फोटोडायोड

InGaAs या इंडियम गैलियम आर्सेनाइड अर्धचालक उपकरणों में विशद रूप से उपयोग किया जाता है। InGaAs हिमस्खलन फोटोडायोड्स का उपयोग लंबे समय तक ऑप्टिकल फाइबर संचार प्राप्त करने के लिए किया जाता है। ये ११००-१७०० एनएम की सीमा में फोटो-डिटेक्शन कर सकते हैं। InGaAs हिमस्खलन फोटोडायोड एसएनआर और संवेदनशीलता के मामले में सामान्य जर्मेनियम हिमस्खलन फोटो डायोड से बेहतर होते हैं।

बड़ा क्षेत्र हिमस्खलन फोटोडायोड

बड़े क्षेत्र के एपीडी या एलएएपीडी हल्के फोटोडायोड होते हैं जिनमें एक बड़ा सक्रियण क्षेत्र होता है। इसकी विशेषताओं में तेज प्रतिक्रिया समय, बेहतर एसएनआर, चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति असंवेदनशीलता आदि शामिल हैं।

पराबैंगनी-यूवी हिमस्खलन फोटोडायोड

गीजर मोड में संचालित होने पर पराबैंगनी हिमस्खलन फोटो डायोड उत्कृष्ट संवेदनशीलता प्रदान करते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड यूवी एपीडी एक उच्च संकेत लाभ और अत्यधिक संवेदनशीलता दिखाता है। यूवी एपीडी पराबैंगनी लौ का पता लगाने के लिए आदर्श हैं।

सिलिकॉन हिमस्खलन फोटोडायोड

कम रोशनी का पता लगाने के लिए उच्च सिलिकॉन एपीडी महान हैं। आंतरिक गुणन में महान प्रकाश संवेदनशीलता होती है जो इसे कम रोशनी के संकेतों का पता लगाने में सक्षम बनाती है। इसमें रैखिकता, कम टर्मिनल समाई और निम्न-तापमान गुणांक में भी सुधार हुआ है। सी हिमस्खलन फोटो डायोड के कुछ अनुप्रयोग ऑप्टिकल रेंजफाइंडर, लेजर रडार, एफएसओ आदि हैं। 

सिलिकॉन हिमस्खलन फोटोडायोड सरणी

बहु-तत्व सिलिकॉन एपीडी में, प्रकाश संवेदनशील क्षेत्र के ठीक नीचे कमी क्षेत्र का निर्माण किया जाता है। इसके कारण, एपीडी सरणी घटना प्रकाश को गुणा करती है। आवेश वाहकों ने अवक्षय क्षेत्र में प्रहार किया। इसका तात्पर्य है कि सी हिमस्खलन फोटो डायोड सरणियों में लाभ के कारण कम क्रॉसस्टॉक है।

गीजर मोड हिमस्खलन फोटोडायोड

गीजर मोड हिमस्खलन फोटो डायोड को फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों का विकल्प प्रदान करने के लिए विकसित किया गया है। जीएपीडी एकल-फोटॉन गणना सिद्धांत का उपयोग थ्रेशोल्ड ब्रेकडाउन वोल्टेज से थोड़ा अधिक वोल्टेज पर करते हैं। इस वोल्टेज पर, यहां तक ​​​​कि एक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी भी एक मजबूत हिमस्खलन को ट्रिगर करने में सक्षम है। इस स्थिति में, शमन सर्किट वोल्टेज को एक सेकंड के अंश से कम कर देता है। इससे कुछ समय के लिए हिमस्खलन रुक जाता है और फोटो-डिटेक्शन संभव है।

सिलिकॉन हिमस्खलन फोटोडायोड के साथ फोटॉन गिनती तकनीक

वर्षों से, हिमस्खलन फोटो डायोड में दो प्रकार की फोटॉन काउंटिंग तकनीकों का उपयोग किया जा रहा है। 

• ‌गीजर मोड
• उप-गीजर मोड

अध्ययनों से पता चलता है कि शमन सर्किट का उपयोग करने के लिए गीजर मोड उत्कृष्ट प्रदर्शन में सुधार करता है।

सिंगल फोटॉन हिमस्खलन फोटोडायोड | हिमस्खलन फोटोडायोड की गिनती करने वाला सिंगल फोटॉन

इन्हें एसएपीडी भी कहा जाता है। SAPDs अत्यधिक प्रकाश संवेदनशील होते हैं और उच्च क्वांटम आवृत्ति के लिए अनुकूलित होते हैं। इसके कुछ अनुप्रयोगों में शामिल हैं a छवि संवेदक, 3डी इमेजिंग, क्वांटम क्रिप्टोग्राफी, आदि

हिमस्खलन फोटोडायोड के फायदे और नुकसान

हिमस्खलन फोटोडायोड के लाभ

• ‌यह कम तीव्रता के प्रकाश का पता लगा सकता है.
• ‌संवेदनशीलता अधिक है.
• ‌रिस्पांस टाइम तेज है.
• ‌एक एकल फोटॉन बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े उत्पन्न कर सकता है.

हिमस्खलन फोटोडायोड के नुकसान

• उच्च ऑपरेटिंग वोल्टेज की आवश्यकता है.
• multiवाहक गुणन के कारण अत्यधिक शोर.
• आउटपुट रैखिक नहीं है.

हिमस्खलन फोटोडायोड का अनुप्रयोग

• लेजर स्कैनर.
• बारकोड रीडर.
• लेजर रेंजफाइंडर.
• स्पीड गन.
• लेजर माइक्रोस्कोपी.
• पीईटी स्कैनर.
• एंटीना विश्लेषक पुल.

अक्सर पूछे गए प्रश्न

हिमस्खलन फोटोडायोड का प्रतिक्रिया समय क्या है?

विभिन्न हिमस्खलन फोटो डायोड का औसत प्रतिक्रिया समय 30 पीएस से 2 एमएस तक हो सकता है।

क्या होता है जब आप हिमस्खलन फोटोडायोड (एपीडी) में बहुत अधिक प्रकाश भेजते हैं?

प्रकाश के अत्यधिक संपर्क में आने से डायोड अधिक गर्म हो जाता है और डिवाइस को नुकसान हो सकता है।

हिमस्खलन फोटोडायोड कैसे काम करता है?

हिमस्खलन फोटोडायोड चार्ज कैरियर्स को गुणा करने और करंट बढ़ाने के लिए हिमस्खलन ब्रेकडाउन वोल्टेज का उपयोग करता है।

पिन फोटोडायोड और हिमस्खलन फोटोडायोड में क्या अंतर है?

हिमस्खलन फोटोडायोड में चार परतें होती हैं, और पिन फोटोडायोड में तीन परतें होती हैं। इसके अलावा, पिन फोटो डायोड के विपरीत, चार्ज गुणन के कारण एपीडी में भारी आंतरिक लाभ और प्रकाश संवेदनशीलता होती है।

हिमस्खलन फोटो डायोड की कमियां क्या हैं?

एपीडी प्रभाव आयनीकरण के कारण उच्च शोर के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, और आउटपुट गैर-रैखिक होता है। अन्य सीमाओं पर "हिमस्खलन फोटो-डायोड के नुकसान" खंड में चर्चा की गई है।

हिमस्खलन फोटोडायोड का प्राथमिक लाभ क्या है?

हिमस्खलन फोटो-डायोड का प्राथमिक लाभ इसकी संवेदनशीलता और कम रोशनी वाले संकेतों का पता लगाने की क्षमता है।

हिमस्खलन लाभ पर तापमान का प्रभाव क्या है?

लाभ तापमान के साथ रैखिक रूप से भिन्न होता है क्योंकि रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज का तापमान के साथ एक रैखिक संबंध होता है।

तापमान के साथ हिमस्खलन का टूटना क्यों बढ़ता है?

तापमान में वृद्धि से परमाणुओं के कंपन में वृद्धि होती है और माध्य मुक्त पथ घट जाता है। चूंकि पथ छोटा हो जाता है, आवेश वाहकों को यात्रा करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए, ब्रेकडाउन वोल्टेज को बढ़ाने की जरूरत है।

अधिक इलेक्ट्रॉनिक्स से संबंधित लेख के लिए यहां क्लिक करे

कौशिकी बनर्जी

नमस्ते......मैं कौशिकी बनर्जी हूं और मैंने इलेक्ट्रॉनिक्स और संचार में स्नातकोत्तर की पढ़ाई पूरी की है। मैं इलेक्ट्रॉनिक्स उत्साही हूं और वर्तमान में इलेक्ट्रॉनिक्स और संचार के क्षेत्र के लिए समर्पित हूं। मेरी रुचि अत्याधुनिक प्रौद्योगिकियों की खोज में है। मैं एक उत्साही शिक्षार्थी हूं और मैं ओपन-सोर्स इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ छेड़छाड़ करता हूं।