Hvor viktig er responshastigheten til dioder i optisk diagnoseutstyr?

1, Teknisk prinsipp: Den fysiske essensen av responshastighet
Responshastigheten til en diode er i hovedsak en omfattende refleksjon av generasjons-, overførings- og rekombinasjonsprosessene til fotogenererte ladningsbærere. Når fotonenergien overskrider båndgapbredden til halvledermaterialet, går valensbåndelektroner over til ledningsbåndet for å danne elektronhullpar, og genererer fotostrøm under påvirkning av det innebygde-elektriske feltet. Denne prosessen involverer tre nøkkeltidsparametere:

Bærergenereringstid: På grunn av påvirkning av materialabsorpsjonskoeffisient, kan direkte båndgapmaterialer som galliumarsenid (GaAs) fullføre fotonabsorpsjon og bærergenerering på pikosekunder, mens indirekte båndgapmaterialer som silisium krever nanosekunder.
Transporttid for bærer: PIN-dioder forkorter bærertransportveien til mikrometernivå ved å optimalisere den indre lagtykkelsen, og med materialer med høy elektronmobilitet som indiumfosfid InP, kan transitttiden kontrolleres innen 10ps.
Koblingskapasitanseffekt: Den parasittiske kapasitansen til dioden vil danne RC-forsinkelse. Ved å bruke heterojunction-struktur og overflatepassiveringsteknologi, kan krysskapasitansen reduseres til under 0,1pF, noe som forbedrer den høye-frekvensresponsen betydelig.
Ved å ta bruken av Tektronix-oscilloskopet i lidar-testing som et eksempel, kan skredfotodioden (APD) oppnå 0,5 ns responstid ved 1550 nm bølgelengde gjennom intern forsterkningsmekanisme, og kan nøyaktig fange rundt-turtiden til nanosekunders laserpuls med 20GHz båndbredde på 20GHz, slik at oscilloskopet kan posisjonere det automatiske oscilloskopet. nøyaktighet innen 200m avstand.

2, Applikasjonsscenario: Hastighet bestemmer systemets effektivitet
1. Testing av industriell automasjon
I overflatedefektdeteksjonen av 3C-produkter bruker det lineære CCD-kameraet en InGaAs-fotodiodearray med en responstid på 2ns, kombinert med en 100kHz linjeskannefrekvens, for å fullføre gjenkjenning av mikrometernivådefekter av paneler i A4-størrelse innen 0,1 sekunder. Et halvlederemballasjeselskap har oppgradert sin waferdeteksjonsgjennomstrømning fra 300 wafere i timen til 800 wafere per time ved å oppgradere til en 0,5ns responsiv APD-sensor, noe som resulterer i en 37% økning i total utstyrseffektivitet (OEE).

2. Medisinsk bildediagnose
I OCT-utstyr (Optical Coherence Tomography) bruker den balanserte detektoren en dobbel PIN-diodedifferensialstruktur, og oppnår 15 μm aksial oppløsning ved en bølgelengde på 1310nm med en responstid på 0,3ns. Etter oppgraderingen av et oftalmisk OCT-system kan den ti-lags strukturen i netthinnen tydelig skilles, noe som forbedrer nøyaktigheten av tidlig diagnose av diabetes retinopati fra 78 % til 92 %.

3. Laserkommunikasjonssystem
I en 100 Gbps optisk modul oppnår en PIN-diode kombinert med en transimpedansforsterker (TIA) en responstid på 0,8 ns ved en bølgelengde på 1550 nm, noe som sikrer at øyeåpnings- og lukkingsgraden er større enn 80 % og bitfeilfrekvensen (BER) er bedre enn ″¹ ². Et datasenter har tatt i bruk denne teknologien for å øke overføringskapasiteten for enkeltfiber fra 40 Tbps til 100 Tbps, noe som reduserer energiforbruket for enhetsbit med 42 %.

4. Miljøovervåkingsfelt
I LIDAR atmosfærisk deteksjonssystem brukes en APD-array med en responstid på 0,2 ns, kombinert med 532 nm laserpulser, for å overvåke aerosolkonsentrasjonsfordeling i sanntid innenfor et høydeområde på 20 km. Etter å ha oppgradert utstyret, utvidet en meteorologisk avdeling PM2.5-prediksjonstiden fra 6 timer til 24 timer, noe som økte nøyaktigheten til prognosen med 18 prosentpoeng.

3, Ytelsesoptimalisering: flerdimensjonale teknologiske gjennombrudd
1. Materiell innovasjon
Galliumnitrid (GaN)-baserte dioder oppnår en respons på 0,1 ns ved en bølgelengde på 405 nm, som er fem ganger høyere enn tradisjonelle GaAs-materialer. De har blitt brukt i blått lys DVD-lesehoder og undervanns laserkommunikasjon.
Quantum dot-materialer utvider bølgelengdeområdet til dioderesponsen til 300-2000nm ved å justere båndgapbredden, og oppfylle kravene til multispektral diagnose.
2. Strukturell optimalisering
Den overflateplasmonforsterkede strukturen forbedrer den fotoelektriske konverteringseffektiviteten med 30 % gjennom den lokaliserte feltforsterkningseffekten til metallnanopartikler, samtidig som den opprettholder en responshastighet på 0,5 ns.
3D-integrasjonsteknologi stabler dioder vertikalt med TIA-brikker, reduserer parasittisk kapasitans med 60 % og oppnår modulresponsbåndbredde som overstiger 30GHz.
3. Prosessforbedring
Molecular beam epitaxy (MBE)-teknologi kan kontrollere fremstillingen av halvlederlag med flathet på atomnivå, redusere mørk strøm til 0,1nA og forbedre signal-til-støyforhold med 20dB.
DRIE-teknologi (Deep Reactive ion Etching) oppnår strukturell prosessering i mikroskala, reduserer diodekrysset kapasitans til 0,05pF og forbedrer høy-høyfrekvenskarakteristikker betydelig.