Kui oluline on dioodide reageerimiskiirus optilistes diagnostikaseadmetes?

1, tehniline põhimõte: reageerimiskiiruse füüsiline olemus
Dioodi reageerimiskiirus peegeldab sisuliselt fotoga genereeritud laengukandjate genereerimise, edastamise ja rekombinatsiooni protsesse. Kui footoni energia ületab pooljuhtmaterjali ribalaiuse, siirduvad valentsriba elektronid juhtivusribale, moodustades elektroniaugupaare, tekitades sisseehitatud elektrivälja toimel fotovoolu. See protsess hõlmab kolme peamist ajaparameetrit:

Kandja genereerimise aeg: materjali neeldumisteguri mõju tõttu võivad otsesed ribalaiusega materjalid nagu galliumarseniid (GaAs) lõpetada footonite neeldumise ja kandja genereerimise pikosekundites, samas kui kaudsed ribalaiusega materjalid, nagu räni, nõuavad nanosekundeid.
Kandja transiidiaeg: PIN-dioodid lühendavad kandja transporditeed mikromeetri tasemele, optimeerides sisemise kihi paksust, ja suure elektronide liikuvusega materjalidega, nagu indiumfosfiid InP, saab transiidiaega kontrollida 10 ps jooksul.
Ühenduse mahtuvuse efekt: dioodi parasiitmahtuvus moodustab RC viivituse. Kasutades heterosiirde struktuuri ja pinna passiveerimise tehnoloogiat, saab ristmiku mahtuvust vähendada alla 0,1 pF, mis parandab oluliselt kõrgsagedusreaktsiooni võimet.
Võttes näiteks Tektronixi ostsilloskoobi kasutamise lidari testimisel, võib selle laviini fotodiood (APD) saavutada sisemise võimendusmehhanismi kaudu 0,5 ns reaktsiooniaega 1550 nm lainepikkusel ja suudab täpselt jäädvustada nanosekundilise laserimpulsi ümbersõiduaja 20 GHz sagedusega laserajami süsteemiga, et tagada ribalaius. sentimeetri taseme positsioneerimise täpsus 200 m kaugusel.

2, rakenduse stsenaarium: kiirus määrab süsteemi tõhususe
1. Tööstusautomaatika testimine
3C-toodete pinnadefektide tuvastamisel kasutab lineaarne CCD-kaamera InGaAs fotodioodide massiivi, mille reaktsiooniaeg on 2 ns, kombineerituna 100 kHz liini skaneerimise sagedusega, et lõpetada A4-formaadis paneelide mikromeetri tasemel defektide tuvastamine 0,1 sekundi jooksul. Pooljuhtpakendite ettevõte on suurendanud oma vahvlite tuvastamise läbilaskevõimet 300 vahvlilt tunnis 800 vahvlile tunnis, uuendades 0,5 ns reageerimisvõimelisele APD-andurile, mille tulemusel on seadmete üldine tõhusus (OEE) suurenenud 37%.

2. Meditsiiniline pildidiagnostika
OCT (Optical Coherence Tomography) seadmetes kasutab tasakaalustatud detektor kahe PIN dioodi diferentsiaalstruktuuri, saavutades 15 μm aksiaalse eraldusvõime lainepikkusel 1310 nm ja reageerimisajaga 0,3 n. Pärast oftalmoloogilise OCT süsteemi uuendamist saab selgelt eristada võrkkesta kümnekihilist struktuuri, mis parandab diabeetilise retinopaatia varajase diagnoosimise täpsust 78%-lt 92%-le.

3. Lasersidesüsteem
100 Gbps optilises moodulis saavutab PIN-diood koos transimpedantsvõimendiga (TIA) reageerimisaja 0,8 ns lainepikkusel 1550 nm, tagades, et silmade avanemise ja sulgemise aste on suurem kui 80% ja bitivea määr (BER) on parem kui 10 ². Andmekeskus on selle tehnoloogia kasutusele võtnud, et suurendada ühe kiu edastusvõimsust 40 Tbps-lt 100 Tbps-le, vähendades ühikubiti energiatarbimist 42%.

4. Keskkonnaseire valdkond
Atmosfäärituvastussüsteemis LIDAR kasutatakse APD massiivi reaktsiooniajaga 0,2 nm koos 532 nm laserimpulssidega, et jälgida aerosooli kontsentratsiooni jaotust reaalajas 20 km kõrguse vahemikus. Pärast seadmete uuendamist pikendas meteoroloogiaosakond PM2,5 ennustusaega 6 tunnilt 24 tunnini, suurendades prognoosi täpsust 18 protsendipunkti võrra.

3, jõudluse optimeerimine: mitmemõõtmelised tehnoloogilised läbimurded
1. Materiaalne innovatsioon
Galliumnitriidil (GaN) põhinevad dioodid saavutavad 0,1 ns vastuse lainepikkusel 405 nm, mis on viis korda kõrgem kui traditsioonilised GaAs materjalid. Neid on kasutatud sinise valgusega DVD-lugemispeades ja veealuses laserkommunikatsioonis.
Kvantpunktmaterjalid laiendavad dioodi vastuse lainepikkuse vahemikku 300–2000 nm-ni, reguleerides ribalaiust, mis vastab multispektraalse diagnoosi nõuetele.
2. Struktuuri optimeerimine
Pinnaplasmoniga täiustatud struktuur suurendab fotoelektrilise muundamise efektiivsust 30% metalli nanoosakeste lokaliseeritud välja võimendusefekti kaudu, säilitades samal ajal reageerimiskiiruse 0, 5 ns.
3D-integratsioonitehnoloogia virnastab dioodid vertikaalselt TIA kiipidega, vähendades parasiitmahtuvust 60% ja saavutades mooduli reageerimisriba laiuse üle 30 GHz.
3. Protsessi täiustamine
Molecular beam epitaxy (MBE) tehnoloogia suudab juhtida pooljuhtkihtide valmistamist aatomitasandil tasapinnalisena, vähendades tumevoolu 0,1 nA-ni ja parandades signaali -/-müra suhet 20 dB võrra.
Sügavreaktiivse ioonide söövitamise (DRIE) tehnoloogia saavutab mikroskaala struktuuritöötluse, vähendades dioodide ristmiku mahtuvust 0,05 pF-ni ja parandades märkimisväärselt kõrgsageduslikke omadusi.