Tốc độ phản hồi của điốt trong thiết bị chẩn đoán quang học quan trọng như thế nào?

1, Nguyên lý kỹ thuật: Bản chất vật lý của tốc độ phản hồi
Tốc độ phản hồi của một diode về cơ bản là sự phản ánh toàn diện các quá trình tạo, truyền và tái kết hợp của các hạt mang điện được tạo ra bằng ảnh. Khi năng lượng photon vượt quá độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn, các electron vùng hóa trị sẽ chuyển sang vùng dẫn để tạo thành các cặp lỗ electron, tạo ra dòng quang dưới tác dụng của điện trường-tích hợp. Quá trình này bao gồm ba tham số thời gian chính:

Thời gian tạo sóng mang: Do ảnh hưởng của hệ số hấp thụ vật liệu, các vật liệu có khe cấm trực tiếp như gallium arsenide (GaAs) có thể hoàn thành quá trình hấp thụ photon và tạo ra sóng mang tính bằng pico giây, trong khi các vật liệu có khe cấm gián tiếp như silicon cần nano giây.
Thời gian vận chuyển sóng mang: Điốt PIN rút ngắn đường truyền sóng mang đến mức micromet bằng cách tối ưu hóa độ dày lớp bên trong và với các vật liệu có độ linh động điện tử cao như indium phosphide InP, thời gian vận chuyển có thể được kiểm soát trong vòng 10 giây.
Hiệu ứng điện dung tiếp giáp: Điện dung ký sinh của diode sẽ hình thành độ trễ RC. Bằng cách sử dụng cấu trúc tiếp xúc dị thể và công nghệ thụ động bề mặt, điện dung tiếp giáp có thể giảm xuống dưới 0,1pF, cải thiện đáng kể khả năng đáp ứng tần số cao-.
Lấy ứng dụng của máy hiện sóng Tektronix trong thử nghiệm lidar làm ví dụ, điốt quang tuyết lở (APD) của nó có thể đạt được thời gian phản hồi 0,5ns ở bước sóng 1550nm thông qua cơ chế khuếch đại bên trong và có thể ghi lại chính xác thời gian chuyến đi vòng-của xung laser nano giây bằng máy hiện sóng băng thông 20GHz, để đảm bảo rằng hệ thống truyền động tự động có thể đạt được độ chính xác định vị ở mức centimet trong khoảng cách 200m.

2, Kịch bản ứng dụng: Tốc độ quyết định hiệu quả hệ thống
1. Thử nghiệm tự động hóa công nghiệp
Trong quá trình phát hiện khuyết tật bề mặt của các sản phẩm 3C, camera CCD tuyến tính sử dụng mảng đi-ốt quang InGaAs với thời gian phản hồi là 2ns, kết hợp với tần số quét dòng 100kHz, để hoàn thành việc nhận dạng khuyết tật ở cấp độ micromet của tấm kích thước A4 trong vòng 0,1 giây. Một công ty đóng gói chất bán dẫn đã nâng cấp thông lượng phát hiện tấm bán dẫn từ 300 tấm bán dẫn mỗi giờ lên 800 tấm bán dẫn mỗi giờ bằng cách nâng cấp lên cảm biến APD phản hồi 0,5ns, giúp tăng 37% hiệu suất thiết bị tổng thể (OEE).

2. Chẩn đoán hình ảnh y tế
Trong thiết bị OCT (Chụp cắt lớp kết hợp quang học), máy dò cân bằng sử dụng cấu trúc vi sai diode PIN kép, đạt được độ phân giải trục 15 μ m ở bước sóng 1310nm với thời gian đáp ứng là 0,3ns. Sau khi nâng cấp hệ thống OCT nhãn khoa, cấu trúc 10 lớp của võng mạc có thể được phân biệt rõ ràng, giúp cải thiện độ chính xác của chẩn đoán sớm bệnh võng mạc tiểu đường từ 78% lên 92%.

3. Hệ thống thông tin liên lạc bằng laser
Trong mô-đun quang 100Gbps, diode PIN kết hợp với bộ khuếch đại transimpedance (TIA) đạt thời gian phản hồi 0,8ns ở bước sóng 1550nm, đảm bảo độ mở và đóng mắt lớn hơn 80% và tỷ lệ lỗi bit (BER) tốt hơn 10 ⁻¹ ². Một trung tâm dữ liệu đã triển khai công nghệ này để tăng công suất truyền dẫn cáp quang đơn từ 40Tbps lên 100Tbps, giảm mức tiêu thụ năng lượng bit đơn vị tới 42%.

4. Lĩnh vực quan trắc môi trường
Trong hệ thống phát hiện khí quyển LIDAR, mảng APD có thời gian phản hồi 0,2ns được sử dụng, kết hợp với các xung laze 532nm, để theo dõi sự phân bố nồng độ khí dung trong-thời gian thực trong phạm vi độ cao 20km. Sau khi nâng cấp thiết bị, cơ quan khí tượng đã kéo dài thời gian dự đoán PM2.5 từ 6 giờ lên 24 giờ, tăng độ chính xác của dự báo lên 18 điểm phần trăm.

3, Tối ưu hóa hiệu suất: đột phá công nghệ đa chiều
1. Đổi mới vật liệu
Điốt dựa trên Gallium nitride (GaN) đạt được phản hồi 0,1ns ở bước sóng 405nm, cao gấp 5 lần so với vật liệu GaAs truyền thống. Chúng đã được áp dụng trong đầu đọc DVD ánh sáng xanh và liên lạc bằng laser dưới nước.
Vật liệu chấm lượng tử mở rộng phạm vi bước sóng đáp ứng của diode lên 300-2000nm bằng cách điều chỉnh độ rộng vùng cấm, đáp ứng yêu cầu chẩn đoán đa phổ.
2. Tối ưu hóa cấu trúc
Cấu trúc tăng cường plasmon bề mặt giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện lên 30% thông qua hiệu ứng tăng cường trường cục bộ của các hạt nano kim loại, đồng thời duy trì tốc độ phản hồi 0,5ns.
Công nghệ tích hợp 3D xếp chồng các điốt với chip TIA theo chiều dọc, giảm 60% điện dung ký sinh và đạt được băng thông phản hồi mô-đun vượt quá 30GHz.
3. Cải tiến quy trình
Công nghệ epit Wax chùm phân tử (MBE) có thể kiểm soát việc chuẩn bị các lớp bán dẫn với độ phẳng ở cấp độ nguyên tử, giảm dòng điện tối xuống 0,1nA và cải thiện tỷ lệ tín hiệu-trên{2}}nhiễu lên 20dB.
Công nghệ khắc ion phản ứng sâu (DRIE) đạt được khả năng xử lý cấu trúc ở quy mô vi mô, giảm điện dung tiếp giáp điốt xuống 0,05pF và cải thiện đáng kể các đặc tính tần số cao.