Avalanche-Photodiode

„Avalanche“ ist ein englisches Wort und kann mit Lawine übersetzt werden. „Photo“ steht für das Photon (Lichtteilchen), welches mit dem Bauteil nachgewiesen werden kann. „Diode“ ist ein elektrisches Bauteil, welches einen Stromfluss nur in einer Richtung durchlässt. Damit ist mit einer Avalanche Photodiode ein elektrisches Bauteil gemeint, welches Photonen nachweist und durch Verstärkung in einen messbaren Strom umwandelt. Werden mehrere Avalanche Photodioden zusammengeschlossen, nennt man dies SiPM.

Der Aufbau einer Avalanche Photodiode fußt auf dem einer gewöhnlichen Photodiode. Der entscheidende Unterschied ist das Einfügen einer weiteren p-Schicht, die die lawinenhafte Verstärkung des Signals erst ermöglicht. Eine Avalanche Photodiode besteht aus einer Schichtabfolge p-i-p-n. Die einzelnen halbleitenden Schichten besitzen jeweils spezielle Eigenschaften:

p-Schicht: Region mit freien, elektrisch positiv geladenen Ladungsträgern (auch Löcher oder Defektelektronen genannt). Das Material wurde mit Fremdatomen versetzt (dotiert), die eine geringere Anzahl an Außenelektronen besitzen. Infolgedessen sind nicht alle Bindungen besetzt und es verbleiben positive Lücken im Halbleiter.

n-Schicht: Im Gegensatz zur p-Schicht sind in dieser Region durch Dotierung mehr freie Elektronen vorhanden. Das Material wird mit Fremdatomen angereichert, die ein Außenelektronen mehr besitzen. Somit steht in der Kristallstruktur des Halbleiters ein zusätzliches, bewegliches Elektron zur Verfügung.

i-Schicht: intrinsische oder eigenleitende Schicht. Durch Gitterdefekte sind schwach gebundene Elektronen vorhanden. Photonen mit genügend Energie können diese Elektronen freisetzen (innerer Photoeffekt). Diese Elektronen können sich dann im Material frei bewegen.

Grundlegend beginnt die Messung mit der Absorption von Photonen in der i-Schicht. Trifft ein Photon auf diese Schicht, werden durch den inneren photoelektrischen Effekt Elektronen aus der festen Gitterstruktur herausgelöst. Es entstehen Elektronen-Loch-Paare.

Durch die zusätzlich eingefügte p-Schicht, entsteht ein p-n-Übergang mit sehr hohen elektrischen Feldern. Die freien Elektronen in der i-Schicht wandern dadurch in Richtung p-n-Schicht.

Dabei werden die Elektronen stark beschleunigt und durch Stoßionisation werden sekundäre Elektronen erzeugt. Diese werden dann wiederum beschleunigt und erzeugen ihrerseits weitere Elektronen.

Diese lawinenartige Erzeugung von Sekundärelektronen in Avalanchedioden ermöglicht die Detektion einzelner Photonen. Das ist mit herkömmlichen Dioden nicht möglich.