עד כמה חשובה מהירות התגובה של דיודות בציוד אבחון אופטי?

1, עקרון טכני: המהות הפיזית של מהירות תגובה
מהירות התגובה של דיודה היא בעצם השתקפות מקיפה של תהליכי היצירה, השידור והקומבינציה של נושאי מטען שנוצרו בצילום. כאשר אנרגיית הפוטונים חורגת מרווח הפס של החומר המוליך למחצה, האלקטרונים של פס הערכיות עוברים לפס ההולכה ויוצרים זוגות של חורים אלקטרונים, ויוצרים זרם פוטו תחת פעולת השדה החשמלי הבנוי-. תהליך זה כולל שלושה פרמטרי זמן מרכזיים:

זמן יצירת נשא: בשל השפעת מקדם ספיגת החומר, חומרים ישירים של פערי פס כמו גליום ארסניד (GaAs) יכולים להשלים את ספיגת הפוטונים ויצירת נשא בפיקוסניות, בעוד שחומרי פער פס עקיפים כמו סיליקון דורשים ננו-שניות.
זמן מעבר נשא: דיודות PIN מקצרות את נתיב הובלת הנשא לרמת המיקרומטר על ידי אופטימיזציה של עובי השכבה הפנימית, ועם חומרים בעלי ניידות אלקטרונית גבוהה כגון אינדיום פוספיד InP, ניתן לשלוט על זמן המעבר תוך 10ps.
אפקט קיבול הצומת: הקיבול הטפילי של הדיודה יהווה השהיית RC. על ידי שימוש במבנה הטרוצומת וטכנולוגיית פסיבציה של פני השטח, ניתן להפחית את קיבולת הצומת מתחת ל-0.1pF, מה שמשפר משמעותית את יכולת התגובה התדרים הגבוהה-.
אם ניקח לדוגמה את היישום של אוסילוסקופ Tektronix בבדיקת לידר, פוטו-דיודית המפולת שלו (APD) יכולה להשיג זמן תגובה של 0.5ns באורך גל של 1550nm באמצעות מנגנון רווח פנימי, ויכולה ללכוד במדויק את זמן הנסיעה הלוך ושוב של דופק לייזר ננו-שניות עם 20GHz כדי להבטיח את רמת רוחב הפס האוטומטית של 20GHz כדי להבטיח את רמת ה-oscilloscope של סנטימטר. דיוק במרחק של 200 מטר.

2, תרחיש יישום: מהירות קובעת את יעילות המערכת
1. בדיקת אוטומציה תעשייתית
בזיהוי פגמי פני השטח של מוצרי 3C, מצלמת ה-CCD הליניארית משתמשת במערך פוטודיודות InGaAs עם זמן תגובה של 2ns, בשילוב עם תדר סריקת קו 100kHz, להשלמת זיהוי פגמים ברמת מיקרומטר של לוחות בגודל A4 תוך 0.1 שניות. חברת אריזות מוליכים למחצה שדרגה את תפוקת זיהוי הפרוסים שלה מ-300 פרוסות לשעה ל-800 פרוסות לשעה על ידי שדרוג לחיישן APD מגיב של 0.5ns, מה שהביא לעלייה של 37% ביעילות הציוד הכוללת (OEE).

2. אבחון הדמיה רפואית
בציוד OCT (Optical Coherence Tomography), הגלאי המאוזן מאמץ מבנה דיודיות PIN כפול, ומשיג רזולוציה צירית של 15 מיקרומטר באורך גל של 1310nm עם זמן תגובה של 0.3ns. לאחר שדרוג מערכת OCT עיניים, ניתן להבחין בבירור במבנה עשר השכבות של הרשתית, מה שמשפר את הדיוק באבחון מוקדם של רטינופתיה של סוכרת מ-78% ל-92%.

3. מערכת תקשורת לייזר
במודול אופטי של 100Gbps, דיודת PIN בשילוב עם מגבר טרנס-אימפדנס (TIA) משיגה זמן תגובה של 0.8ns באורך גל של 1550nm, מה שמבטיח שמידת פתיחת וסגירת העין גדולה מ-80% ושיעור שגיאות הסיביות (BER) טוב מ- ¹ ². מרכז נתונים פרס את הטכנולוגיה הזו כדי להגדיל את קיבולת השידור של סיבים בודדים מ-40Tbps ל-100Tbps, תוך הפחתת צריכת האנרגיה של יחידת סיביות ב-42%.

4. תחום ניטור סביבתי
במערכת הזיהוי האטמוספרי של LIDAR, נעשה שימוש במערך APD עם זמן תגובה של 0.2ns, בשילוב עם פעימות לייזר של 532nm, לניטור התפלגות ריכוז האירוסולים בזמן אמת-בטווח גובה של 20 ק"מ. לאחר שדרוג הציוד שלה, מחלקה מטאורולוגית האריכה את זמן חיזוי PM2.5 מ-6 שעות ל-24 שעות, והגדילה את דיוק התחזית ב-18 נקודות אחוז.

3, מיטוב ביצועים: פריצות דרך טכנולוגיות רב-ממדיות
1. חדשנות חומרית
דיודות מבוססות גליום ניטריד (GaN) משיגות תגובה של 0.1ns באורך גל של 405nm, שהוא פי חמישה יותר מחומרי GaAs מסורתיים. הם יושמו בראשי קריאת DVD באור כחול ובתקשורת לייזר תת-מימית.
חומרי נקודה קוונטית מרחיבים את טווח אורכי הגל של תגובת הדיודות ל-300-2000 ננומטר על ידי התאמת רוחב פס הפסים, ועומדים בדרישות של אבחון רב-ספקטרלי.

2. אופטימיזציה מבנית
המבנה המשופר של פלסמון משפר את יעילות ההמרה הפוטואלקטרית ב-30% באמצעות אפקט שיפור השדה המקומי של ננו-חלקיקי מתכת, תוך שמירה על מהירות תגובה של 0.5ns.
טכנולוגיית אינטגרציה תלת מימדית עורמת דיודות בצורה אנכית עם שבבי TIA, מפחיתה את הקיבול הטפילי ב-60% ומשיגה רוחב פס של תגובת מודול העולה על 30GHz.

3. שיפור תהליכים
טכנולוגיית קרן מולקולרית (MBE) יכולה לשלוט בהכנת שכבות מוליכים למחצה עם שטוחות ברמה אטומית, להפחית זרם כהה ל-0.1nA ולשפר את יחס האות-ל-ב-20dB.
טכנולוגיית Deep Reactive ion etching (DRIE) משיגה עיבוד מבני בקנה מידה מיקרו, מפחיתה את קיבול צומת הדיודה ל-0.05pF ומשפרת משמעותית את מאפייני התדר הגבוה-.