Hoe belangrijk is de reactiesnelheid van diodes in optische diagnoseapparatuur?

1, Technisch principe: de fysieke essentie van reactiesnelheid
De responssnelheid van een diode is in wezen een alomvattende weerspiegeling van de generatie-, transmissie- en recombinatieprocessen van door foto gegenereerde ladingsdragers. Wanneer de fotonenenergie de bandbreedte van het halfgeleidermateriaal overschrijdt, gaan de elektronen in de valentieband over naar de geleidingsband om elektron-gatparen te vormen, waardoor fotostroom wordt gegenereerd onder invloed van het ingebouwde elektrische veld. Dit proces omvat drie belangrijke tijdparameters:

Tijd voor het genereren van dragers: vanwege de invloed van de materiaalabsorptiecoëfficiënt kunnen materialen met een directe bandafstand, zoals galliumarsenide (GaAs), de fotonenabsorptie en het genereren van dragers in picoseconden voltooien, terwijl materialen met een indirecte bandafstand, zoals silicium nanoseconden nodig hebben.
Carrier-transittijd: PIN-diodes verkorten het carrier-transportpad tot op micrometerniveau door de intrinsieke laagdikte te optimaliseren, en met materialen met hoge elektronenmobiliteit zoals indiumfosfide InP kan de transittijd binnen 10 ps worden geregeld.
Junctiecapaciteitseffect: De parasitaire capaciteit van de diode zal RC-vertraging vormen. Door gebruik te maken van de heterojunctiestructuur en oppervlaktepassiveringstechnologie kan de junctiecapaciteit worden teruggebracht tot minder dan 0,1 pF, waardoor het hoogfrequente responsvermogen aanzienlijk wordt verbeterd.
Als we de toepassing van de Tektronix-oscilloscoop bij lidar-testen als voorbeeld nemen, kan de lawinefotodiode (APD) een responstijd van 0,5 ns bereiken bij een golflengte van 1550 nm via een intern versterkingsmechanisme, en kan hij nauwkeurig de round- triptijd van een nanoseconde laserpuls vastleggen met een oscilloscoop met een bandbreedte van 20 GHz, om ervoor te zorgen dat het automatische aandrijfsysteem positioneringsnauwkeurigheid op centimeterniveau binnen een afstand van 200 meter kan verkrijgen.

2, Toepassingsscenario: Snelheid bepaalt de systeemefficiëntie
1. Testen van industriële automatisering
Bij de detectie van oppervlaktedefecten van 3C-producten maakt de lineaire CCD-camera gebruik van een InGaAs-fotodiode-array met een responstijd van 2 ns, gecombineerd met een lijnscanfrequentie van 100 kHz, om de herkenning van defecten op micrometerniveau van panelen van A4-formaat binnen 0,1 seconde te voltooien. Een halfgeleiderverpakkingsbedrijf heeft zijn waferdetectiedoorvoer opgewaardeerd van 300 wafers per uur naar 800 wafers per uur door te upgraden naar een 0,5 ns responsieve APD-sensor, resulterend in een toename van 37% in de algehele apparatuurefficiëntie (OEE).

2. Diagnose van medische beeldvorming
In OCT-apparatuur (Optical Coherence Tomography) gebruikt de gebalanceerde detector een differentiële structuur met dubbele PIN-dioden, waardoor een axiale resolutie van 15 μm wordt bereikt bij een golflengte van 1310 nm met een responstijd van 0,3 ns. Na de upgrade van een oftalmisch OCT-systeem kan de tienlaagse structuur van het netvlies duidelijk worden onderscheiden, wat de nauwkeurigheid van de vroege diagnose van diabetes-retinopathie verbetert van 78% naar 92%.

3. Lasercommunicatiesysteem
In een optische module van 100 Gbps bereikt een PIN-diode in combinatie met een transimpedantieversterker (TIA) een responstijd van 0,8 ns bij een golflengte van 1550 nm, waardoor de mate van openen en sluiten van de ogen groter is dan 80% en de bit error rate (BER) beter is dan 10 ⁻¹ ². Een datacenter heeft deze technologie ingezet om de transmissiecapaciteit van enkele glasvezel te verhogen van 40 Tbps naar 100 Tbps, waardoor het energieverbruik per eenheid bit met 42% wordt verminderd.

4. Veld voor milieumonitoring
In het LIDAR-atmosferische detectiesysteem wordt een APD-array met een responstijd van 0,2 ns gebruikt, gecombineerd met laserpulsen van 532 nm, om de verdeling van de aërosolconcentratie in realtime te monitoren binnen een hoogtebereik van 20 km. Na het upgraden van haar apparatuur heeft een meteorologische afdeling de PM2,5-voorspellingstijd verlengd van 6 uur naar 24 uur, waardoor de nauwkeurigheid van de voorspelling met 18 procentpunten is toegenomen.

3, Prestatieoptimalisatie: multidimensionale technologische doorbraken
1. Materiaalinnovatie
Op galliumnitride (GaN) gebaseerde diodes bereiken een respons van 0,1 ns bij een golflengte van 405 nm, wat vijf keer hoger is dan traditionele GaAs-materialen. Ze zijn toegepast in blauwlicht-dvd-leeskoppen en onderwaterlasercommunicatie.
Quantum dot-materialen breiden het golflengtebereik van de dioderespons uit tot 300-2000 nm door de bandbreedte aan te passen, waardoor wordt voldaan aan de eisen van multispectrale diagnose.
2. Structurele optimalisatie
De oppervlakte-plasmon-verbeterde structuur verbetert de foto-elektrische conversie-efficiëntie met 30% door het gelokaliseerde veldversterkende effect van metalen nanodeeltjes, terwijl een responssnelheid van 0,5 ns wordt gehandhaafd.
3D-integratietechnologie stapelt diodes verticaal met TIA-chips, waardoor de parasitaire capaciteit met 60% wordt verminderd en een moduleresponsbandbreedte van meer dan 30 GHz wordt bereikt.
3. Procesverbetering
Moleculaire bundelepitaxie (MBE)-technologie kan de voorbereiding van halfgeleiderlagen met vlakheid op atomair niveau regelen, waardoor de donkerstroom wordt verminderd tot 0,1 nA en de signaal-tot- ruisverhouding met 20 dB wordt verbeterd.
De technologie voor diep reactief ionenetsen (DRIE) maakt structurele verwerking op microschaal mogelijk, waardoor de capaciteit van de diodeovergangen wordt teruggebracht tot 0,05 pF en de hogefrequentiekarakteristieken aanzienlijk worden verbeterd.