Колко важна е скоростта на реакция на диодите в оптичното диагностично оборудване?

1, Технически принцип: Физическата същност на скоростта на реакция
Скоростта на реакция на диода е по същество цялостно отражение на процесите на генериране, предаване и рекомбинация на фотогенерирани носители на заряд. Когато енергията на фотона надвиши ширината на забранената зона на полупроводниковия материал, електроните на валентната лента преминават към лентата на проводимост, за да образуват двойки електронни дупки, генерирайки фототок под действието на вграденото-електрическо поле. Този процес включва три ключови времеви параметъра:

Време за генериране на носител: Поради влиянието на коефициента на поглъщане на материала, материали с директна забранена лента като галиев арсенид (GaAs) могат да завършат абсорбцията на фотони и генериране на носител за пикосекунди, докато материалите с непряка забранена лента като силиций изискват наносекунди.
Време за преминаване на носителя: PIN диодите скъсяват транспортния път на носителя до микрометърно ниво чрез оптимизиране на присъщата дебелина на слоя, а с материали с висока подвижност на електрони, като индиев фосфид InP, времето за преминаване може да се контролира в рамките на 10ps.
Ефект на капацитета на свързване: Паразитният капацитет на диода ще образува RC забавяне. Чрез използване на структура на хетеропреход и технология за пасивиране на повърхността, капацитетът на прехода може да бъде намален до под 0,1 pF, което значително подобрява способността за високо-честотна характеристика.
Вземайки за пример приложението на осцилоскопа Tektronix при лидарно тестване, неговият лавинен фотодиод (APD) може да постигне време за реакция от 0,5 ns при дължина на вълната 1550 nm чрез вътрешен механизъм за усилване и може точно да улови кръговото-време на пътуване на наносекунден лазерен импулс с осцилоскоп с честотна лента от 20 GHz, така че да гарантира, че системата за автоматично задвижване може да получи позициониране на ниво сантиметър точност в рамките на 200 метра разстояние.

2, Сценарий на приложение: Скоростта определя ефективността на системата
1. Тестване на индустриална автоматизация
При откриването на повърхностни дефекти на 3C продукти, линейната CCD камера използва InGaAs фотодиоден масив с време за реакция от 2ns, комбиниран с честота на линейно сканиране от 100 kHz, за да завърши разпознаването на дефекти на ниво микрометър на панели с размер A4 в рамките на 0,1 секунди. Компания за опаковане на полупроводници повиши своята пропускателна способност за откриване на пластини от 300 пластини на час до 800 пластини на час чрез надграждане до 0,5ns реагиращ APD сензор, което води до 37% увеличение на общата ефективност на оборудването (OEE).

2. Медицинска образна диагностика
В оборудването OCT (оптична кохерентна томография) балансираният детектор приема диференциална структура с двоен PIN диод, постигайки 15 μm аксиална разделителна способност при дължина на вълната 1310 nm с време за реакция от 0,3 ns. След надграждането на офталмологична OCT система, десетслойната структура на ретината може да бъде ясно разграничена, което подобрява точността на ранната диагностика на диабетна ретинопатия от 78% на 92%.

3. Лазерна комуникационна система
В 100Gbps оптичен модул, PIN диод, комбиниран с трансимпедансен усилвател (TIA), постига време за реакция от 0,8 ns при дължина на вълната от 1550 nm, гарантирайки, че степента на отваряне и затваряне на окото е по-голяма от 80% и процентът на битови грешки (BER) е по-добър от 10 ⁻¹². Център за данни е внедрил тази технология, за да увеличи капацитета на предаване на единични влакна от 40Tbps на 100Tbps, намалявайки потреблението на енергия на единица бит с 42%.

4. Област на мониторинг на околната среда
В системата за атмосферно откриване LIDAR се използва APD решетка с време за реакция от 0,2 ns, комбинирана с 532 nm лазерни импулси, за наблюдение на разпределението на концентрацията на аерозол в реално-време в диапазон на височина от 20 km. След надграждане на оборудването си метеорологичен отдел удължи времето за прогнозиране на PM2.5 от 6 часа на 24 часа, повишавайки точността на прогнозата с 18 процентни пункта.

3, Оптимизиране на производителността: многоизмерни технологични пробиви
1. Материална иновация
Диодите, базирани на галиев нитрид (GaN), постигат реакция от 0,1 ns при дължина на вълната от 405 n, което е пет пъти по-високо от традиционните GaAs материали. Те са приложени в DVD четящи глави със синя светлина и подводна лазерна комуникация.
Материалите с квантови точки разширяват обхвата на дължината на вълната на диодния отговор до 300-2000 nм чрез регулиране на ширината на забранената лента, отговаряйки на изискванията за мултиспектрална диагностика.
2. Структурна оптимизация
Подсилената с повърхностен плазмон структура подобрява ефективността на фотоелектричното преобразуване с 30% чрез локализирания ефект на усилване на полето на металните наночастици, като същевременно поддържа скорост на реакция от 0,5 ns.
Технологията за 3D интеграция вертикално подрежда диоди с TIA чипове, намалявайки паразитния капацитет с 60% и постигайки честотна лента на отговор на модула над 30 GHz.
3. Подобряване на процеса
Технологията за молекулярно-лъчева епитаксия (MBE) може да контролира подготовката на полупроводникови слоеве с плоскост на атомно ниво, намалявайки тъмния ток до 0,1nA и подобрявайки съотношението сигнал-към-шум с 20dB.
Технологията за дълбоко реактивно йонно ецване (DRIE) постига микромащабна структурна обработка, намалявайки капацитета на диодния преход до 0,05 pF и значително подобрявайки високо-честотните характеристики.