imported>Boehm: typog

2025-08-14T22:25:09Z

typog

Neue Seite

'''Avalanche-Photodioden''' bzw. '''Lawinenphotodioden''' ({{enS|avalanche photodiode}}, '''APD'''), sind hochempfindliche, schnelle [[Photodiode]]n und zählen zu den [[Avalanche-Diode]]n. Sie nutzen den [[Innerer photoelektrischer Effekt|inneren photoelektrischen Effekt]] zur [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträgererzeugung]] und den [[Lawinendurchbruch]] (Avalanche-Effekt) zur internen [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärkung]]. Sie können als das [[Halbleiter]]äquivalent zum [[Photomultiplier]] betrachtet werden und finden Anwendung bei der Detektierung sehr geringer [[Strahlungsleistung]]en, bis hin zu einzelnen Photonen, mit erreichbaren [[Grenzfrequenz]]en bis in den Gigahertz-Bereich. Die höchste spektrale Empfindlichkeit liegt dabei je nach verwendetem Material in einem Bereich von 250–1700 nm, wobei von einem Diodentyp immer nur ein Teilbereich abgedeckt werden kann. Eine Mischung aus Photomultipliern und Avalanche-Photodioden stellen [[Hybridphotodetektor]]en dar.
[[Datei:Avalanche photodiode.JPG|mini|Avalanche-Photodiode]]

== Aufbau und Funktion ==
[[Datei:APD2 German.png|mini|Schematischer Schichtaufbau einer Si-APD. Die Farbverläufe stellen die Raumladungsverteilung bei angelegter Sperrspannung dar, mit dazugehöriger elektrischer Feldstärkeverteilung (unten).]]
[[Datei:APD3 German.png|mini|Die durch Stoßionisation entstehende Ladungslawine in einer Si-APD. Photonen werden in der vollständig verarmten intrinsischen i-Schicht absorbiert und erzeugen dort Ladungsträgerpaare. In einer Si-APD werden die Elektronen zur Multiplikationszone hin beschleunigt und verursachen dort die Ladungslawine.]]
Avalanche-Photodioden sind für einen kontrollierten Lawinendurchbruch konstruiert und ähneln in ihrem Aufbau [[Pin-Diode|pin-Photodioden]]. Im Gegensatz zum p-i-n-Schichtaufbau dieser Dioden wird durch eine zusätzliche schmale und hoch [[Dotierung|dotierte]] p- oder n-Schicht die [[Raumladung]]sverteilung so modelliert (siehe mittlere Abb.), dass im Anschluss an die [[intrinsisch]]e i- bzw. π-Schicht ein Bereich sehr hoher [[Elektrische Feldstärke|elektrischer Feldstärkeverteilung]] erzeugt wird (siehe untere Abb.). Dieser Bereich fungiert als sogenannte Multiplikationszone und erzeugt die interne Verstärkung der Avalanche-Photodioden. Eine typische [[Silizium|Si]]-APD besitzt ein p+-i-p-n+-[[Dotierung]]sprofil, wobei wie bei der pin-Diode die schwach p-dotierte intrinsische i- bzw. π-Schicht als [[Absorption (Physik)|Absorptionsgebiet]] dient. Beim Anlegen einer [[Sperrspannung]] driften die dort durch Photonen erzeugten freien Elektronen in die Multiplikationszone, die durch die [[Raumladungszone]] des p-n+-Übergangs erzeugt wird. Die Ladungsträger werden dann auf Grund der dort vorherrschenden hohen elektrischen Feldstärke stark beschleunigt und erzeugen durch [[Stoßionisation]] Sekundärladungsträger, die dann wiederum beschleunigt werden und ihrerseits weitere Ladungsträger erzeugen (siehe untere Abb.). Si-Avalanche-Photodioden werden mit Sperrspannungen, nahe der [[Diode#Durchbruch|Durchbruchspannung]], von einigen 100 V betrieben und erreichen eine Verstärkung von M = 100–500 (Multiplikationsfaktor).<ref name="Hering">{{Literatur |Autor=E. Hering, K. Bressler, J. Gutekunst |Titel=Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler |Verlag=Springer |Datum=2005 |ISBN=978-3-540-24309-0 |Seiten=266–279}}</ref><ref name="PE">[http://www.perkinelmer.com/CMSResources/Images/44-6538APP_AvalanchePhotodiodesUsersGuide.pdf ''Avalanche-Photodiodes – A User Guide.''] PerkinElmer 2010 (PDF; 80 kB).</ref> Oberhalb der Durchbruchspannung kommt es zum lawinenartigen Fortschreiten des beschriebenen Prozesses (Lawinendurchbruch), was zu einem (kurzzeitigen) Verstärkungsfaktor von einigen Millionen führt.

=== Multiplikations- und Zusatzrauschfaktor ===
Die Verstärkung wird wie oben beschrieben durch Stoßionisation der freien Ladungsträger verursacht, wobei je nach Material sowohl Elektronen als auch Löcher zur Vervielfältigung in der Multiplikationszone benutzt werden. Entscheidend sind die Ionisationskoeffizienten der Elektronen αn und der Löcher αp, die exponentiell von der elektrischen Feldstärke abhängen. Die Ladungsträger mit dem größeren Ionisationskoeffizient werden in die Multiplikationszone injiziert, um eine optimale und rauscharme Verstärkung zu erzielen (z. B. ist für Silizium αn > αp und für [[Germanium]] und [[Indiumphosphid]] αn < αp).

Der von der angelegten Sperrspannung ''U''R abhängige Multiplikationsfaktor ''M'' ergibt sich unterhalb der Durchbruchspannung ''U''BD näherungsweise wie folgt (''I''·''R''S ist der Spannungsabfall über dem Serienwiderstand der Diode):<ref name="Hering" />

: <math>M = \frac{1}{1 - \left(\frac{U_R - I R_S}{U_\mathrm{BD}}\right)^n}</math> ; mit ''n'' < 1 in Abhängigkeit von der Struktur und dem Material der Diode.

Bedingt durch die statistische Natur der Ladungsträgermultiplikation ist der Verstärkungsfaktor nicht konstant und es kommt zusätzlich zum [[Wärmerauschen]] (Johnson-Nyquist-Rauschen) zu einem verstärkten [[Schrotrauschen]] (engl. {{lang|en|''shot noise''}}). Dies kann dazu führen, dass sich bei großen Verstärkungen das [[Signal-Rausch-Verhältnis]] verschlechtert. Das zusätzliche Rauschen (engl. {{lang|en|''excess noise''}}) wird mit dem Zusatzrauschfaktor ''F''(''M'') wie folgt angegeben:<ref name="Hering" />

: <math>F(M) = kM + (1-k)\left(2-\frac{1}{M}\right)</math>,

wobei k das Verhältnis der Ionisationskoeffizienten der Elektronen und Löcher ist (für αn>αp gilt k=αp/αn bzw. für αn<αp ist k=αn/αp). Daraus folgt, dass zur Minimierung des Rauschens der Unterschied der Ionisationskoeffizienten möglichst groß sein sollte. Für Si beträgt k ≈ 0,02 und für Ge und [[III-V-Verbindungshalbleiter]] wie InP ist k ≈ 0,5.<ref name="Kwok">{{Literatur |Autor=Kwok K. Ng |Titel=Complete Guide to Semiconductor Devices (Mcgraw-Hill Series in Electrical and Computer Engineering) |Verlag=McGraw-Hill Inc.,US |Datum=1995 |ISBN=978-0-07-035860-7 |Seiten=425–432}}</ref>

=== Zeitverhalten und Verstärkungs-Bandbreite-Produkt ===
Das Zeitverhalten einer Avalanche-Photodiode wird durch die Driftprozesse im Verarmungsgebiet und den Auf- und Abbau der Ladungsträgerlawine in der Multiplikationszone bestimmt, wodurch APDs langsamer als [[Pin-Diode|pin-]] oder Schottky-[[Photodiode]]n sind. Die Transit- bzw. Laufzeit der Ladungsträger in der Multiplikationszone bestimmt maßgeblich die Zeitkonstante <math>\tau \sim</math> Mk, welche [[Proportionalität|direkt proportional]] zur Verstärkung ''M'', und dem Verhältnis der Ionisationskoeffizienten ''k'' ist<ref name="Kwok" /><ref name="Ma" /> (typische Werte liegen in der Größenordnung von <math>\tau</math> ≈ 1 ps). Das konstante [[Verstärkungs-Bandbreite-Produkt]] ({{enS|gain bandwidth product}}, GBP, GBW od. GB) ergibt sich zu:<ref name="Hering" />

:<math>M B = M f_\text{c} = \frac{1}{2\pi\tau}</math> (<math>f_\text{c}</math> ist die [[Grenzfrequenz]], bei der der Strom um 3 dB zurückgeht).

Es lässt sich ein Verstärkungs-Bandbreite-Produkt für Si von ≈200 GHz und für Ge von ≈30 GHz<ref name="Hering" />, sowie für InGaAs basierte APDs von > 50 GHz<ref name="Nalwa" /><ref name="Hasko" /><ref name="Mikawa" /> erzielen. Weiterhin ist auch hierbei ein möglichst großer Unterschied der Ionisationskoeffizienten der Ladungsträger von Vorteil sowie eine möglichst schmale Multiplikationszone.

== Materialien, Struktur und spektrale Empfindlichkeit ==
=== VIS-NIR Si- und Ge-APD ===
[[Datei:APD.png|mini|Schematischer Querschnitt einer Si-APD (1-Metallkontakte, 2-Antireflexschicht aus Siliziumdioxid oder -nitrid)]]
Silizium ist das am häufigsten verwendete Material, da auf Grund des großen Unterschiedes der Ionisationskoeffizienten der Ladungsträger besonders rauscharme Avalanche-Photodioden hergestellt werden können. Die spektrale Empfindlichkeit reicht dabei je nach Ausführung von 300–1000 nm.<ref name="PE" /><ref name="LC" /> Die höchste Empfindlichkeit erzielen NIR-Si-APDs (500–1000 nm) mit einer maximalen spektralen Empfindlichkeit bei 800–900 nm.<ref name="LC2">{{Webarchiv | url=http://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lce/lcsa_lcia_series.pdf | wayback=20140202184730 | text=''Datasheets APD Modules''}} LASER COMPONENTS GmbH (PDF-Datei, 229 kB)</ref><ref name="Hamam">{{Webarchiv|url=http://neutron.physics.ucsb.edu/docs/Avalanche_photodiodes_info.pdf |wayback=20100708034118 |text=''Characteristics and use of Si APD (Avalanche Photodiode)'' |archiv-bot=2022-10-06 21:46:46 InternetArchiveBot }} [[Hamamatsu Photonics]] K.K. 2004 (PDF-Datei, 340 kB)</ref> Die für den kurzwelligen Spektralbereich optimierten Typen können bis 300 nm eingesetzt werden (maximale spektralen Empfindlichkeit bei 600 nm), was durch eine nahe der Oberfläche lokalisierte Absorptionszone ermöglicht wird. Dies ist erforderlich, da die [[Eindringtiefe]] der Photonen mit abnehmender Wellenlänge sinkt. Andererseits ist durch den [[Bandabstand]] ''E''g die maximal detektierbare Wellenlänge begrenzt, und für die Grenzwellenlänge λg ergibt sich mit:<ref name="Hering" />

:<math>\lambda_g = \frac{hc}{E_g} = \frac{1{,}24 \;\mathrm{\mu m \cdot eV}}{E_g}</math> (<math>h</math> ist die [[Planck-Konstante]] und <math>c</math> die [[Lichtgeschwindigkeit]])

für Si (mit ''E''g = 1,12 eV bei 300 K) ein Wert von 1100 nm (für λ > λg wird das entsprechende Material transparent).

Für Avalanche-Photodioden im Wellenlängenbereich über 1000 nm, wie sie in der faseroptischen [[Nachrichtentechnik]] benötigt werden, kann Germanium verwendet werden. Auf Grund der geringeren Energie der Bandlücke von ''E''g = 0,67 eV (bei 300 K) wird ein spektraler Empfindlichkeitsbereich von 900–1600 nm erreicht.<ref name="PE" /> Nachteilig bei Ge-APDs ist aber der hohe Zusatzrauschfaktor (der Ionisationskoeffizient der Löcher αp ist nur wenig größer als der der Elektronen αn) und der vorhandene hohe Dunkelstrom.

=== IR-APD mit Heterostruktur aus III-V-Verbindungshalbleitern ===
[[Datei:APD3.png|mini|SAM-Bandstruktur einer InP/GaInAs-APD<ref name="Kwok" />]]

Für die [[Lichtwellenleiter]]-Übertragungstechnik im 2. und 3. Fenster<ref name="Gustedt">{{Literatur |Autor=D. Gustedt, W. Wiesner |Titel=Fiber Optik Übertragungstechnik |Verlag=Franzis’ Verlag GmbH |Datum=1998 |ISBN=978-3-7723-5634-6 |Seiten=54}}</ref> ([[Frequenzband#Optische Datenkommunikation|1300 bzw. 1550 nm]]) wurden Avalanche-Photodioden aus [[III-V-Verbindungshalbleiter]]n entwickelt, die bessere Eigenschaften als Ge-APDs besitzen, aber in der Herstellung bedeutend teurer sind.
Geringere Zusatzrauschfaktoren und Dunkelströme werden durch die Kombination von III-V-Verbindungshalbleitern mit unterschiedlichen Bandabständen erreicht, wobei die Hauptvertreter InGaAs/InP-APDs darstellen. In so genannten SAM-Strukturen ({{enS|separate absorption and multiplication}}) wird [[Indiumgalliumarsenid]] (InGaAs) als Absorptionszone und [[Indiumphosphid]] (InP) als Multiplikationszone verwendet. Typischer Schichtaufbau ist dabei:

:p+InP, pInP, nInGaAs, n+InP<ref name="Kwok" /> bzw.
:p+InP, nInP, n InGaAs, n+InP<ref name="Ma">Changlin Ma: [http://ir.lib.sfu.ca/bitstream/1892/7962/1/b1741653x.pdf ''Characterization and modelling of SAGCM InP/InGaAs Avalanche Photodiodes''] Dissertation SIMON FRASER Univ. 1995, S. 22–44 (PDF-Datei; 5,1 MB)</ref>.

InP hat bedingt durch seine große Bandlücke von ''E''g = 1,27 eV (bei 300 K) einen geringeren Dunkelstrom und auf Grund eines günstigeren Verhältnisses der Ionisationskoeffizienten (αn<αp) lässt sich eine rauschärmere Verstärkung als in InGaAs erzielen. Die Löcher dienen hierbei als primäre Ladungsträger und werden von der InGaAs-Absorptionszone in die schwach dotierte nInP- bzw. pInP-Multiplikationszone injiziert. Entscheidend ist, dass die Verhältnisse so gewählt werden, dass die elektrische Feldstärke in der InP-Schicht hoch genug ist zur Ladungsträgervervielfältigung, sowie die InGaAs-Schicht vollständig verarmt ist, aber gleichzeitig gering genug, um in der Absorptionszone [[Tunnelstrom|Tunnelströme]] zu vermeiden.<ref name="Nalwa">{{Literatur |Autor=Hari Singh Nalwa |Titel=Photodetectors and Fiber Optics |Verlag=Academic Press |Datum=2001 |ISBN=978-0-12-513908-3 |Seiten=334–351}}</ref> Durch Anpassung des [[Indium]]- und [[Gallium]]-Anteils lässt sich die Bandlücke von Inx-1GaxAs

:<math>E_g = (0{,}36 + 0{,}63x + 0{,}43x^2)\,\mathrm{eV}</math> (bei 300 K)<ref name="NSM">[http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/GaInAs/basic.html ''Basic Parameters of Inx-1GaxAs at 300 K''] NSM data archive from the [[Joffe-Institut|Ioffe Institute]], St. Petersburg</ref>
zwischen 0,4 und 1,4 eV einstellen.

Für die Absorptionszone wird z. B. In0,53Ga0,47As verwendet, mit einer Bandlücke von Eg = 0,75 eV, womit ein ähnlicher spektraler Empfindlichkeitsbereich wie mit Germanium erreichbar ist (900–1600 nm). Eine Erweiterung dieses Bereiches über 1600 nm ([[Frequenzband#Optische Datenkommunikation|L-Band]]) konnte durch die Erhöhung des In-Anteils in der Absorptionszone zu In0,83Ga0,17As erzielt werden, wobei bei diesen APDs eine zusätzliche In0,52Al0,48As-Schicht als Multiplikationszone Verwendung findet.<ref name="Mikawa">Takashi Mikawa, Masahiro Kobayashi, Takao Kaneda: ''Avalanche photodiodes: present and future.'' Proceedings of SPIE Band 4532 – Active and Passive Optical Components for WDM Communication, S. 139–145</ref>

Bedingt durch die Unstetigkeit der Energiebänder an der Grenze der Heterostruktur entsteht eine Potentialstufe, die zur Akkumulation der Löcher im [[Valenzband]] und zu einer Verzögerung im Zeitverhalten und zur Limitierung der Bandbreite der APD führt. Abhilfe schaffen hier so genannte SACM-Strukturen (engl. {{lang|en|''separate absorption, grading and multiplication''}}), wo zwischen der Absorptions- und Multiplikationszone eine InGaAsP-(Grading)Schicht eingefügt wird, mit einer Bandlücke, die zwischen der von InGaAs und InP (0,75–1,27 eV) liegt. Eine typische Schichtstruktur einer SAGM-APD ist nach<ref name="Ma" /><ref name="Hasko">D. Haško, J. Kováč, F. Uherek, J. Škriniarová, J. Jakabovič and L. Peternai: [http://iris.elf.stuba.sk/JEEEC/data/pdf/3_107-10.pdf ''DESIGN AND PROPERTIES OF InGaAs/InGaAsP/InP AVALANCHE PHOTODIODE.''] (PDF-Datei; 480 kB) Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, VOL. 58, NO. 3, 2007, 173–176</ref> wie folgt:

:p+InP, nInP, n+InGaAsP, nInGaAs, n+InP.

Weiterentwicklungen sind SAGCM-Strukturen (engl. {{lang|en|''separate absorption, grading, charge sheet and multiplication''}})<ref name="Nalwa" /><ref name="park">J.K. Park, I. Yun: ''Modeling of Avalanche Gain for High-speed InP/InGaAs Avalanche Photodiodes.'' Electron Devices and Solid-State Circuits, 2008, 1–4</ref> und ''Superlattice''-Avalanche-Photodioden<ref name="Kwok" /><ref name="Nalwa" /><ref name="Mikawa" />, mit weiter verbesserten Rausch- und Verstärkungseigenschaften.

=== UV-APD aus (Al)GaN und SiC ===

In den letzten Jahren wurden spezielle Avalanche-Photodioden für den ultravioletten Wellenlängenbereich von 250–350 nm entwickelt, die auf [[Galliumnitrid]] (GaN) oder (4H)[[Siliciumcarbid]] beruhen.<ref name="Campbell1">{{Literatur |Autor=Joe C. Campbell u. a. |Titel=Recent advances in avalanche photodiodes |Sammelwerk=IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics |Band=10 |Nummer=4 |Datum=2004-07 |Seiten=777–787 |Online=[http://www.ece.ucsb.edu/Faculty/Coldren/reprints/2004%20Reprint/%2843%29%20Campbell%20-%20Recent%20advances%20in%20avalanche.pdf ece.ucsb.edu] |Format=PDF |KBytes= |Abruf=2014-02-01 |DOI=10.1109/JSTQE.2004.833971}}</ref><ref name="Friedrichs">{{Literatur |Autor=P. Friedrichs, T. Kimoto, L. Ley, G. Pensl |Titel=Silicon Carbide |Band=Band 2: ''Power Devices and Sensors'' |Verlag=Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA |Datum=2010 |ISBN=978-3-527-40997-6 |Seiten=467–480}}</ref><ref name="Shaw">G. A. Shaw et al. (MIT Lincoln Laboratory), S. Soloviev et al. (GE Global Research): {{Webarchiv | url=http://www.randfoo.com/wp-content/uploads/2009/06/Deep-UV-Photon-Counting-Detectors-and-Applications.pdf | wayback=20140201224400 | text=''Deep UV Photon-Counting Detectors and Applications.''}} (PDF; 1019 kB) Proc. of SPIE – Advanced Photon Counting Techniques III, Volume 7320, 2009.</ref> Auf Grund der großen [[Bandlücke]] von ''E''gGaN = 3,37 eV bzw. ''E''g4H-SiC = 3,28 eV sind diese APDs relativ unempfindlich im [[Sonnenspektrum]] (engl. {{lang|en|''solar blind''}}) bzw. im sichtbaren Spektralbereich. Sie benötigen somit keine teuren [[Filter (Optik)|optischen Filter]] zur Unterdrückung unerwünschter Untergrundstrahlung, wie sie bei den typischerweise in diesem Bereich eingesetzten [[Photomultiplier]]n oder Si-APDs nötig sind. Weiterhin zeigen sie bessere Eigenschaften als PMTs in rauen Umgebungen und bei Hochtemperaturanwendungen, wie z. B. der Detektion oder Überwachung von [[Flamme]]n (u. a. von [[Gasturbine]]n) oder zur [[Gammastrahlen]]-Detektion bei [[Tiefenbohrung]]en der [[Erdöl]]- und [[Erdgas]]erkundung<ref name="sandvik">P. Sandvik et al.: [http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/934588/934588.PDF ''Harsh-Environment Solid-State Gamma Detector for Down-hole Gas and Oil Exploration, Phase II – Final Technical Report.''] GE Global Research, DOE Award Number: DE-FC26-04NT42107, 2007</ref>.

Mit Hilfe der [[Metallorganische Gasphasenepitaxie|metallorganischen Gasphasenepitaxie]] (MOVPE) können APDs in pin- und SAM-Struktur aus Galliumnitrid und [[Aluminiumgalliumnitrid]] (AlGaN), z. B. Al0,36Ga0,64N als Absorptionszone, auf [[Saphir]]-Substraten (mit einem [[Aluminiumnitrid|AlN]]-Interface) hergestellt werden. Es lassen sich Quanteneffizienzen von bis zu 45 % (bei 280 nm) erzielen und es konnte der Nachweis einzelner Photonen im so genannten ''Geiger-Modus'' gezeigt werden.<ref name="McClintock1">R. McClintock et al.: ''Solar-blind avalanche photodiodes.'' In: ''Proc. of SPIE – Quantum Sensing and Nanophotonic Devices III.'' Band 6127, 2006.</ref><ref name="McClintock2">Ryan McClintock, Jose L. Pau, Kathryn Minder, Can Bayram, Manijeh Razeghi.: {{Webarchiv | url=http://www.35lab.com/08_Bayram_Conf_01.pdf | wayback=20140116200422 | text=''III-Nitride photon counting avalanche photodiodes.''}} (PDF-Datei; 510 kB) In: ''Proc. of SPIE – Quantum Sensing and Nanophotonic Devices V.'' Band 6900, 2008, 69000N, [[doi:10.1117/12.776265]].</ref>

Weit überlegen in ihren Eigenschaften sind APDs aus 4H-SiC. Sie sind langlebiger und zeigen geringes Zusatzrauschen, auf Grund eines günstigen Verhältnisses der Ionisationskoeffizienten der Ladungsträger von ''k'' ≈ 0,1. Im Gegensatz zur direkten Bandlücke von GaN ist der Abfall der Empfindlichkeit hin zum sichtbaren Spektralbereich aber nicht so scharf ausgeprägt. Es lassen sich Quanteneffizienzen von bis zu 50 % (bei 270 nm) erzielen und auch der Nachweis einzelner Photonen im ''Geiger-Modus'' konnte gezeigt werden.<ref name="Campbell1" /><ref name="Campbell2">Joe C. Campbell et al.: ''Low-Dark-Current SiC Avalanche Photodiodes.'' 210th Meeting of The Electrochemical Society, Meet. Abstr. 2006, Volume MA2006-02, Nr. 28, Pages 1320. ([http://ma.ecsdl.org/content/MA2006-02/28/1320.full.pdf+html ma.ecsdl.org] PDF).</ref>

== Betriebsmodi ==
=== Strahlungsproportionale Betriebsweise ===
Unterhalb der Durchbruchspannung tritt eine sperrspannungs- und temperaturabhängige Verstärkung auf und Avalanche-Photodioden können zum Aufbau hochempfindlicher Photoempfänger mit strahlungsleistungs-proportionaler Ausgangsspannung verwendet werden, wobei die APD selbst als strahlungsleistungs-proportionale [[Stromquelle]] fungiert. Silizium-APDs besitzen zwar eine höhere äquivalente Rauschleistung als beispielsweise pin-Photodioden (da der Verstärkungseffekt stochastischen Mechanismen unterworfen ist), es können aber dennoch mit ihnen rauschärmere Photoempfänger aufgebaut werden, da bei konventionellen Photodioden derzeit der Rauschbeitrag des nachfolgenden Verstärkers wesentlich höher ist als derjenige der [[Pin-Diode|pin-Photodiode]]. Es werden APD-Verstärkermodule angeboten, die den temperaturabhängigen Verstärkungsfaktor der APD durch Anpassen der Sperrspannung kompensieren.<ref name="LC2" />

=== {{Anker|Einzelphotonenzählung}} Geiger-Modus (Einzelphotonennachweis) ===
==== Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) ====
Avalanche-Photodioden (APD), die speziell für den Betrieb oberhalb der Durchbruchspannung im so genannten ''Geiger-Modus'' entwickelt wurden, werden als [[Einzelphoton-Avalanche-Diode]] (kurz SPAD für engl. {{lang|en|''single-photon avalanche diode''}}) oder auch ''Geigermode-APD'' (G-APD) bezeichnet. Sie erreichen eine kurzzeitige Verstärkung von bis zu 108,<ref name="LC">{{Webarchiv | url=http://www.lasercomponents.com/de/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/applikationsreport/avalanche-photodioden.pdf | wayback=20061017184935 | text=''Funktionsweise und Einsatzbereiche von Avalanche Photodioden''}} LASER COMPONENTS GmbH 2006 (PDF-Datei, 165 kB)</ref><ref name="stipcevic">M. Stipčević, H. Skenderović, and D. Gracin: ''Characterization of a novel avalanche photodiode for single photon detection in VIS-NIR range.'' In: ''Optics Express.'' Band 18, Nr. 16, 2010, S. 17448–17459.</ref> da ein durch ein einzelnes [[Photon]] erzeugtes [[Elektron-Loch-Paar]] auf Grund der Beschleunigung in der Multiplikationszone (hervorgerufen durch die hohe [[elektrische Feldstärke]]) mehrere Mio. Ladungsträger erzeugen kann. Durch eine entsprechende Beschaltung muss verhindert werden, dass die Diode durch den hohen Strom leitfähig bleibt (Selbsterhalt der Ladungsträgerlawine), was im einfachsten Fall durch einen Vorwiderstand realisiert wird. Durch den Spannungsabfall am Vorwiderstand senkt sich die Sperrspannung über der APD, welche dadurch wieder in den gesperrten Zustand übergeht ({{lang|en|''passive quenching''}}). Der Vorgang wiederholt sich selbsttätig und die Stromimpulse können gezählt werden. Beim {{lang|en|''active quenching''}} wird durch eine spezielle Elektronik die Sperrspannung beim Erkennen eines Durchbruchstromes innerhalb weniger Nanosekunden aktiv abgesenkt. Danach wird durch erneutes Anheben der Sperrspannung über die Durchbruchspannung die SPAD wieder aktiviert. Durch die Signalverarbeitung der Elektronik entstehen [[Totzeit (Teilchenmesstechnik)|Totzeiten]] von ca. 100 ns und es lassen sich somit Zählraten um die 10 MHz realisieren. Experimentell wurden 2011 auch schon Totzeiten von 5,4 ns und Zählraten von 185 MHz mit ''active quenching'' erreicht.<ref name="KIT">A. Eisele et al.: [http://www.imagesensors.org/Past%20Workshops/2011%20Workshop/2011%20Papers/R43_Eisele_SPAD139dB.pdf ''185 MHz count rate, 139 dB dynamic range single-photon avalanche diode with active quenching circuit in 130 nm CMOS technology.''] Intl. Image Sensor Workshop (IISW’11), Hokkaido, Japan; 2011, R43 (PDF; 298 kB).</ref>

Neben durch Photonen erzeugten Elektronen-Loch-Paaren können auch thermisch generierte Ladungsträger einen Durchbruch in der SPAD erzeugen, der im Normalfall unerwünscht ist. Die Rate dieser Auslösungen wird als Dunkelzählrate (kurz DCR für engl. ''Dark Count Rate'') angegeben und ist ein Hauptfaktor für das Rauschen einer SPAD. Der bisher geringste veröffentlichte Wert für die Dunkelzählrate (0,1 Hz/µm2) wurde bei SPADs des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) gemessen<ref>{{Literatur |Autor=Claudio Accarino, Gianluca Melino, Valerio Francesco Annese, Mohammed A. Al-Rawhani, Yash D. Shah |Titel=A 64x64 SPAD Array for Portable Colorimetric Sensing, Fluorescence and X-Ray Imaging |Hrsg= |Sammelwerk=IEEE Sensors Journal |Band=19 |Nummer=17 |Auflage= |Verlag= |Ort= |Datum=2019-09-01 |ISBN= |ISSN=1530-437X |DOI=10.1109/JSEN.2019.2916424 |Seiten=7319–7327 |Online=https://ieeexplore.ieee.org/document/8713497/ |Abruf=2020-09-28}}</ref>.

Die SPAD kann in der [[CMOS]]-Technologie gefertigt werden, sodass eine kostengünstige und hochintegrierte Herstellung ermöglicht wird<ref>{{Internetquelle |url=https://www.ims.fraunhofer.de/de/Geschaeftsfelder/CMOS-Image-Sensors/Technologien/CSPAD.html |titel=CSPAD - Fraunhofer IMS |abruf=2020-09-28 |sprache=de}}</ref>. Gewünschte Schaltungen (''active quenching, [[Time-to-Digital-Converter|time-to-digital-converter]]'', Zähler usw.) können nah an dem aktiven SPAD-Bauelement realisiert werden, um eine hohe Packungsdichte und somit einen hohen Füllfaktor zu erreichen.

==== {{Anker|Silicon Photomultiplier}} Silizium Photomultiplier (SiPM) ====
[[Datei:SiPM IRST.JPG|mini|Ein ''Silizium-Photomultiplier'' (SiPM), Größe des Arrays ca. 1 mm²]]Der sogenannte '''Silizium Photomultiplier''' (kurz SiPM) besteht aus einem Array mehrerer Avalanche-Photodioden auf einem gemeinsamen Silizium-Substrat, die im Geiger-Modus, also oberhalb der Durchbruchspannung, betrieben werden. Jede APD-Zelle (Größe 10…100 µm) besitzt ihren eigenen Vorwiderstand und alle Zellen (100…1000) sind parallel geschaltet. Die Idee ist, einzelne Photonen nachweisen zu können (hohe Empfindlichkeit) und dennoch viele Photonen gleichzeitig messen zu können. Das Bauteil arbeitet also bis zu einer bestimmten Lichtstärke quasi analog, weil sich die Impulse der einzelnen Zellen summieren und jede Zelle dennoch Zeit zum Löschen hat.
SiPM vereinen die Vorteile von PMT und Festkörpersensoren, sie erfordern keine hohen Betriebsspannungen, sind unempfindlich gegenüber Stößen und Magnetfeldern und sind kleiner.<ref>[https://www.first-sensor.com/cms/upload/appnotes/AN_SiPM_Introduction_E.pdf ''Introduction to silicon photomultipliers (SiPMs).''] Firmenschrift der Fa. First Sensor AG (Deutschland), PDF, 6 Seiten, englisch, abgerufen am 14. Juli 2017.</ref><ref>{{Webarchiv|url=https://www.sensl.com/downloads/ds/TN%20-%20Intro%20to%20SPM%20Tech.pdf |wayback=20170803134023 |text=''Introduction to SiPM.'' |archiv-bot=2023-03-12 03:52:07 InternetArchiveBot }} Firmenschrift der Fa. SensL Technologies Ltd. (Irland), PDF, 16 Seiten, englisch, abgerufen am 14. Juli 2017.</ref><ref>{{Webarchiv | url=https://www.hamamatsu.com/us/en/community/optical_sensors/articles/technical_guide_to_silicon_photomultipliers_sipm/index.html | wayback=20170708222634 | text=Slawomir Piatek: ''A technical guide to silicon photomultipliers (SiPM).''}} Website der Fa. [[Hamamatsu Photonics]], englisch.</ref>

== Literatur ==
* E. Hering, K. Bressler, J. Gutekunst: ''Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler.'' Springer, 2005, ISBN 3-540-24309-7.
* Hari Singh Nalwa: ''Photodetectors and Fiber Optics.'' Academic Press, 2001, ISBN 0-12-513908-X.
* Kwok K. Ng: ''Complete Guide to Semiconductor Devices.'' 2. Auflage, John Wiley & Sons, 2002, ISBN 0-471-20240-1.
* [[Simon M. Sze]]: ''Physics of Semiconductor Devices.'' 2. Auflage, John Wiley & Sons, 1981. ISBN 0-471-05661-8.
* M. S. Tyagi: ''Introduction to Semiconductor Materials and Devices.'' John Wiley & Sons, 1991, ISBN 0-471-60560-3.

== Weblinks ==
* [https://docs.broadcom.com/doc/Introduction-to-Silicon-Photomultipliers Broadcom: Brief Introduction to Silicon Photomultipliers]
* [https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/mppc/mppc_mppc-array.html Hamamatsu MPPC (SiPM)]
* {{Webarchiv | url=http://www.olympusmicro.com/primer/java/digitalimaging/avalanche/index.html | wayback=20150416044334 | text=''Avalanche Photodiodes Tutorial''}} (Olympus Microscopy Recource Center – Digital Imaging in Optical Microscopy).
* [http://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/veroeffentlichung/opt_apd_receiver_module.pdf ''Detektion kleinster Lichtmengen mit Avalanche Photodioden''] (LASER COMPONENTS GmbH 2009, PDF; 223 kB).

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Diode]]
[[Kategorie:Optoelektronik]]
[[Kategorie:Sensor]]

Avalanche-Photodiode - Versionsgeschichte

imported>Boehm: typog