سرعت پاسخ دیودها در تجهیزات عیب یابی نوری چقدر مهم است؟

1، اصل فنی: جوهر فیزیکی سرعت پاسخ
سرعت پاسخ یک دیود اساساً بازتابی جامع از فرآیندهای تولید، انتقال و نوترکیب حامل‌های بار تولید شده از عکس است. هنگامی که انرژی فوتون از عرض باند ماده نیمه هادی بیشتر می شود، الکترون های باند ظرفیتی به نوار رسانایی انتقال می یابند تا جفت حفره های الکترونی را تشکیل دهند و تحت اثر میدان الکتریکی ساخته شده-جریان نوری ایجاد کنند. این فرآیند شامل سه پارامتر زمانی کلیدی است:

زمان تولید حامل: با توجه به تأثیر ضریب جذب مواد، مواد باند باند مستقیم مانند آرسنید گالیم (GaAs) می‌توانند جذب فوتون و تولید حامل را در پیکو ثانیه کامل کنند، در حالی که مواد با فاصله باند غیرمستقیم مانند سیلیکون به نانوثانیه نیاز دارند.
زمان انتقال حامل: دیودهای پین با بهینه سازی ضخامت لایه ذاتی مسیر انتقال حامل را تا سطح میکرومتر کوتاه می کنند و با مواد با تحرک الکترون بالا مانند فسفید ایندیم InP، زمان انتقال را می توان در عرض 10 ثانیه کنترل کرد.
اثر ظرفیت اتصال: ظرفیت انگلی دیود باعث ایجاد تاخیر RC می شود. با استفاده از ساختار ناهمگونی و فن آوری غیرفعال سازی سطح، ظرفیت اتصال را می توان به زیر 0.1pF کاهش داد که به طور قابل توجهی قابلیت پاسخ{2} فرکانس بالا را بهبود می بخشد.
با استفاده از اسیلوسکوپ Tektronix در آزمایش لیدار به عنوان مثال، فتودیود بهمنی آن (APD) می‌تواند از طریق مکانیسم بهره داخلی به زمان پاسخ 0.5 ثانیه در طول موج 1550 نانومتر دست یابد و می‌تواند به دقت زمان سفر دور-پالس لیزر نانوثانیه‌ای را با استفاده از سیستم باند 20 گیگاهرتزی به‌عنوان درایو باند 20 گیگاهرتزی ثبت کند. دقت موقعیت یابی سطح سانتی متری در فاصله 200 متری.

2، سناریوی کاربردی: سرعت کارایی سیستم را تعیین می کند
1. تست اتوماسیون صنعتی
در تشخیص عیوب سطح محصولات 3C، دوربین CCD خطی از آرایه فوتودیود InGaAs با زمان پاسخگویی 2 ثانیه، همراه با فرکانس اسکن خط 100 کیلوهرتز استفاده می‌کند تا تشخیص نقص سطح میکرومتری پانل‌های اندازه A4 را در عرض 0.1 ثانیه انجام دهد. یک شرکت بسته بندی نیمه هادی توان تشخیص ویفر خود را از 300 ویفر در ساعت به 800 ویفر در ساعت با ارتقاء به سنسور APD پاسخگو 0.5ns ارتقا داده است که منجر به افزایش 37 درصدی راندمان کلی تجهیزات (OEE) شده است.

2. تشخیص تصویربرداری پزشکی
در تجهیزات OCT (توموگرافی همدوسی نوری)، آشکارساز متعادل ساختار دیفرانسیل دیود پین دوگانه را اتخاذ می‌کند و وضوح محوری 15 میکرومتر را در طول موج 1310 نانومتر با زمان پاسخ 0.3 ثانیه به دست می‌آورد. پس از ارتقاء یک سیستم OCT چشمی، ساختار ده لایه شبکیه را می توان به وضوح تشخیص داد که دقت تشخیص زودهنگام رتینوپاتی دیابتی را از 78٪ به 92٪ بهبود می بخشد.

3. سیستم ارتباط لیزری
در یک ماژول نوری 100 گیگابیت بر ثانیه، یک دیود پین همراه با یک تقویت‌کننده ترانس‌مپدانس (TIA) به زمان پاسخ 0.8 ثانیه در طول موج 1550 نانومتر دست می‌یابد که اطمینان حاصل می‌کند که درجه باز و بسته شدن چشم بیشتر از 80٪ و نرخ خطای بیت (BER) بهتر از 1.1 است. یک مرکز داده از این فناوری برای افزایش ظرفیت انتقال تک فیبر از 40 ترابیت بر ثانیه به 100 ترابیت بر ثانیه استفاده کرده است که مصرف انرژی بیت واحد را تا 42 درصد کاهش می دهد.

4. زمینه پایش محیط زیست
در سیستم تشخیص جوی LIDAR، یک آرایه APD با زمان پاسخ 0.2 ثانیه، همراه با پالس‌های لیزری 532 نانومتری، برای نظارت بر توزیع غلظت آئروسل در زمان واقعی در محدوده ارتفاعی 20 کیلومتری استفاده می‌شود. یک اداره هواشناسی پس از ارتقای تجهیزات خود، زمان پیش‌بینی PM2.5 را از 6 ساعت به 24 ساعت افزایش داد و دقت پیش‌بینی را 18 درصد افزایش داد.

3، بهینه سازی عملکرد: پیشرفت های تکنولوژیکی چند بعدی
1. نوآوری مواد
دیودهای مبتنی بر نیترید گالیوم (GaN) به پاسخ 0.1 ثانیه در طول موج 405 نانومتر دست می یابند که پنج برابر بیشتر از مواد سنتی GaAs است. آنها در سرهای خواندن DVD نور آبی و ارتباطات لیزری زیر آب به کار رفته اند.
مواد نقطه کوانتومی با تنظیم پهنای باند گپ، محدوده طول موج پاسخ دیود را به 300-2000 نانومتر افزایش می‌دهند و نیازهای تشخیص چندطیفی را برآورده می‌کنند.

2. بهینه سازی سازه
ساختار افزایش یافته پلاسمون سطحی، بازده تبدیل فوتوالکتریک را تا 30 درصد از طریق اثر افزایش میدان موضعی نانوذرات فلزی افزایش می‌دهد، در حالی که سرعت پاسخ 0.5 ثانیه را حفظ می‌کند.
فناوری ادغام سه بعدی دیودها را به صورت عمودی با تراشه های TIA روی هم قرار می دهد و ظرفیت خازنی انگلی را تا 60 درصد کاهش می دهد و به پهنای باند پاسخ ماژول بیش از 30 گیگاهرتز دست می یابد.

3. بهبود فرآیند
فناوری اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) می‌تواند آماده‌سازی لایه‌های نیمه‌رسانا با صافی سطح اتمی را کنترل کند، جریان تاریک را تا ۰.۱ نانوآمپر کاهش دهد و نسبت سیگنال به نویز را ۲۰ دسی‌بل بهبود بخشد.
فناوری حکاکی یون واکنشی عمیق (DRIE) به پردازش ساختاری در مقیاس میکرو دست می یابد، ظرفیت اتصال دیود را به 0.05pF کاهش می دهد و به طور قابل توجهی ویژگی های فرکانس بالا را بهبود می بخشد.