ความเร็วการตอบสนองของไดโอดในอุปกรณ์วินิจฉัยทางแสงมีความสำคัญเพียงใด?

1 หลักการทางเทคนิค: สาระสำคัญทางกายภาพของความเร็วในการตอบสนอง
ความเร็วตอบสนองของไดโอดโดยพื้นฐานแล้วเป็นการสะท้อนที่ครอบคลุมของกระบวนการสร้าง การส่งผ่าน และการรวมตัวใหม่ของตัวพาประจุที่สร้างภาพถ่าย เมื่อพลังงานโฟตอนเกินความกว้างของแบนด์แกปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนของแถบวาเลนซ์จะเปลี่ยนเป็นแถบการนำไฟฟ้าเพื่อสร้างคู่รูอิเล็กตรอน ทำให้เกิดโฟโตปัจจุบันภายใต้การกระทำของ-สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้น กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์เวลาหลักสามประการ:

เวลาในการสร้างตัวพา: เนื่องจากอิทธิพลของสัมประสิทธิ์การดูดซับของวัสดุ วัสดุแถบแบนด์ทางตรง เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) สามารถทำให้การดูดกลืนโฟตอนและการสร้างตัวพาเสร็จสมบูรณ์ในหน่วยพิโควินาที ในขณะที่วัสดุแถบแบนด์ทางอ้อม เช่น ซิลิคอน ต้องใช้นาโนวินาที
เวลาขนส่งของตัวพา: ไดโอด PIN จะทำให้เส้นทางการขนย้ายของตัวพาสั้นลงเหลือระดับไมโครมิเตอร์โดยการปรับความหนาของชั้นภายในให้เหมาะสม และด้วยวัสดุการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง เช่น อินเดียม ฟอสไฟด์ InP ทำให้สามารถควบคุมเวลาขนส่งได้ภายใน 10ps
ผลกระทบของความจุทางแยก: ความจุของปรสิตของไดโอดจะทำให้เกิดความล่าช้าของ RC เมื่อใช้โครงสร้างทางแยกเฮเทอโรจังก์ชันและเทคโนโลยีการสร้างฟิล์มทู่ที่พื้นผิว ความจุของจุดเชื่อมต่อจะลดลงเหลือต่ำกว่า 0.1pF ซึ่งช่วยปรับปรุงความสามารถในการตอบสนองความถี่สูง-ได้อย่างมาก
การใช้ออสซิลโลสโคปของ Tektronix ในการทดสอบไลดาร์เป็นตัวอย่าง โฟโตไดโอดถล่ม (APD) ของมันสามารถบรรลุเวลาตอบสนอง 0.5ns ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรผ่านกลไกเกนภายใน และสามารถจับเวลา-การเดินทางรอบของเลเซอร์พัลส์นาโนวินาทีด้วยออสซิลโลสโคปแบนด์วิดท์ 20GHz ได้อย่างแม่นยำ เพื่อให้แน่ใจว่าระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติจะได้รับความแม่นยำของตำแหน่งระดับเซนติเมตรภายในระยะ 200 เมตร

2 สถานการณ์การใช้งาน: ความเร็วเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของระบบ
1. การทดสอบระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม
ในการตรวจจับข้อบกพร่องที่พื้นผิวของผลิตภัณฑ์ 3C กล้อง CCD เชิงเส้นใช้อาร์เรย์โฟโตไดโอด InGaAs ที่มีเวลาตอบสนอง 2ns รวมกับความถี่การสแกนเส้น 100kHz เพื่อให้การรับรู้ข้อบกพร่องระดับไมโครมิเตอร์ของแผงขนาด A4 เสร็จสมบูรณ์ภายใน 0.1 วินาที บริษัทบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์แห่งหนึ่งได้อัปเกรดปริมาณการตรวจจับเวเฟอร์จาก 300 เวเฟอร์ต่อชั่วโมงเป็น 800 เวเฟอร์ต่อชั่วโมง โดยอัปเกรดเป็นเซ็นเซอร์ APD ที่ตอบสนอง 0.5ns ส่งผลให้ประสิทธิภาพอุปกรณ์โดยรวม (OEE) เพิ่มขึ้น 37%

2. การวินิจฉัยด้วยภาพทางการแพทย์
ในอุปกรณ์ OCT (Optical Coherence Tomography) เครื่องตรวจจับแบบสมดุลใช้โครงสร้างไดโอดแบบดิฟเฟอเรนเชียล PIN คู่ เพื่อให้ได้ความละเอียดตามแนวแกน 15 μm ที่ความยาวคลื่น 1310 นาโนเมตร ด้วยเวลาตอบสนอง 0.3ns หลังจากอัปเกรดระบบ OCT ทางตาแล้ว ก็สามารถแยกแยะโครงสร้างจอตาทั้ง 10 ชั้นได้อย่างชัดเจน ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวินิจฉัยโรคจอประสาทตาในระยะเริ่มต้นจาก 78% เป็น 92%

3. ระบบสื่อสารด้วยเลเซอร์
ในโมดูลออปติคัล 100Gbps ไดโอด PIN รวมกับเครื่องขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์ (TIA) ให้เวลาตอบสนอง 0.8ns ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร ทำให้มั่นใจได้ว่าระดับการเปิดปิดตาจะมากกว่า 80% และอัตราข้อผิดพลาดบิต (BER) ดีกว่า 10 ⁻¹ ² ศูนย์ข้อมูลได้ใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อเพิ่มความสามารถในการส่งผ่านไฟเบอร์เดี่ยวจาก 40Tbps เป็น 100Tbps ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานของหน่วยบิตลง 42%

4. สาขาการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม
ในระบบตรวจจับบรรยากาศ LIDAR จะใช้อาร์เรย์ APD ที่มีเวลาตอบสนอง 0.2ns รวมกับพัลส์เลเซอร์ 532 นาโนเมตร เพื่อตรวจสอบการกระจายความเข้มข้นของละอองลอยแบบเรียลไทม์-ภายในช่วงความสูง 20 กม. หลังจากอัปเกรดอุปกรณ์ กรมอุตุนิยมวิทยาได้ขยายเวลาทำนาย PM2.5 จาก 6 ชั่วโมงเป็น 24 ชั่วโมง เพิ่มความแม่นยำในการพยากรณ์ขึ้น 18 เปอร์เซ็นต์

3 การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน: ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหลายมิติ
1. นวัตกรรมด้านวัสดุ
ไดโอดที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ให้การตอบสนอง 0.1ns ที่ความยาวคลื่น 405 นาโนเมตร ซึ่งสูงกว่าวัสดุ GaAs แบบดั้งเดิมถึงห้าเท่า พวกมันถูกนำไปใช้กับหัวอ่าน DVD แสงสีฟ้าและการสื่อสารด้วยเลเซอร์ใต้น้ำ
วัสดุควอนตัมดอทจะขยายช่วงความยาวคลื่นของการตอบสนองของไดโอดเป็น 300-2000 นาโนเมตร โดยการปรับความกว้างของแถบความถี่ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของการวินิจฉัยแบบหลายสเปกตรัม
2. การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง
โครงสร้างที่ได้รับการปรับปรุงพลาสมอนบนพื้นผิวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกได้ 30% ผ่านเอฟเฟกต์การปรับปรุงสนามแม่เหล็กของอนุภาคนาโนของโลหะ ในขณะที่รักษาความเร็วการตอบสนองไว้ที่ 0.5ns
เทคโนโลยีการรวม 3 มิติจะเรียงซ้อนไดโอดในแนวตั้งด้วยชิป TIA ซึ่งช่วยลดความจุของปรสิตลง 60% และบรรลุแบนด์วิดท์การตอบสนองของโมดูลที่เกิน 30GHz
3. การปรับปรุงกระบวนการ
เทคโนโลยี Molecular Beam Epitaxy (MBE) สามารถควบคุมการเตรียมชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความเรียบระดับอะตอม ซึ่งช่วยลดกระแสมืดลงเหลือ 0.1nA และปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนได้ 20dB
เทคโนโลยีการแกะสลักไอออนแบบปฏิกิริยาเชิงลึก (DRIE) ช่วยให้เกิดการประมวลผลโครงสร้างระดับไมโคร โดยลดความจุของจุดเชื่อมต่อไดโอดลงเหลือ 0.05pF และปรับปรุงคุณลักษณะความถี่สูง-ได้อย่างมาก