Charakterisierung von Avalanche Photodioden

Abstract

Um optische Informationen effizient in elektrische Signale umzuwandeln werden oft Halbleiterbaudelemente wie Dioden oder Transistoren verwendet. In modernen, energieeffizienten Systemen werden dafür heutzutage vermehrt Avalanche Photodioden (APDs) eingesetzt. Sie bieten eine Reihe von positiven Eigenschaften und in Abhängigkeit der Wahl des Arbeitspunktes viele interessante Anwendungsgebiete. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Charakterisierung dieser speziellen Art von Photodioden. Es werden die grundlegenden Eigenschaften und Designkonzepte von APDs für zwei unterschiedliche Arbeitsbereiche beschrieben zum einen der lineare Bereich und zum anderen der Geiger Mode. Zur reproduzierbaren Charakterisierung dieser Dioden wurden im Rahmen der Arbeit mehrere verschiedene Messverfahren entwickelt. Zwei unterschiedliche Dioden wurden für diese Messungen verwendet. Einerseits wird eine auf unserem Institut entworfene integrierbare Silizium CMOS APD präsentiert und die ausgewerteten Messergebnisse mit einer kommerziellen Silizium APD von Hamamatsu verglichen. Im linearen Bereich wurden die Photodioden unter anderem auf ihren Dunkelstrom, Durchbruchsspannung, Verstärkung, Bandbreite und ihr Temperaturverhalten untersucht. Es zeigt sich, dass man Parameter wie Verstärkung, Temperatur und die optische Leistung des einfallenden Lichtes genau regeln muss, um optimale Eigenschaften hinsichtlich des Signal Rausch Verhältnisses und deren Bandbreite zu bekommen. Wenn die APD im Geiger-Mode betrieben wird, sind sehr hohe Verstärkungswerte möglich. Vor allem in dieser Betriebsart ist nicht nur die Wahl der einzelnen Betriebsparameter, sondern auch das verwendete Schaltungskonzept für einen optimalen Betrieb von grundlegender Bedeutung. Hinsichtlich der Detektion einzelner Photonen (Single Photon Avalanche Diode, SPAD) können durch spezielle Quenchingschaltungen die Eigenschaften weiter verbessert werden indem die Totzeiten optimiert werden.

An efficient probability to convert electrical signals into optical information is to apply semiconductorelements such as diodes or transistors. Nowadays avalanche photodiodes (APDs) are used for modern, energy efficient systems. They offer a number of positive characteristics and depending on the choice of the working point, a lot of interesting applications. The present work deals with the analysis and characterization of this particular type of photodiodes. The basic features and design concepts of APDs for two different work areas will be describe, the linear mode und the Geiger mode. For reproducible characterization of these diodes several different measurement methods have been developed in the context of the work. Two different exemplars were used for these measurements. One of the integrated CMOS silicon APD designed in our institute is presented and the evaluated results have been compared with a commercial silicon APD from Hamamatsu. In the linear mode, the photodiodes have been analysed to its dark current, breakdown voltage, gain, bandwidth and its temperature characteristic. It can be seen that it is necessary to control parameters such as gain, temperature and the optical power of the incoming light exactly to get optimal properties in terms of signal to noise ratio and the bandwidth. If the APD is operating in Geiger mode, very high gain values are possible. Especially in this mode, not only the choice of the individual operating parameters is important. Also the circuit design used for an optimal operation of is fundamental. The properties for detecting single photons (single photon avalanche diode SPAD) can be further improved by optimizing the deadtime by special quenchingcircuits.