硅 Si 高性能雪崩光電二極管(APD) 400-1000nm 0.5mm TO-18

C30902和C30921系列

用于微光應用的高速固態(tài)探測器

C30902EH系列雪崩光電二極管非常適合廣泛的應用，包括激光雷達、測距、小信號熒光、光子計數和條形碼掃描。

Excelitas Technologies的C30902EH系列雪崩光電二極管采用雙擴散“穿透"結構制造。這種結構在400到1000納米之間提供了高響應度，并且在所有波長(cháng)上都提供了極快的上升和下降時(shí)間。該器件的響應度與高達800 MHz的調制頻率無(wú)關(guān)。探測器芯片密封在一個(gè)改進(jìn)的TO-18封裝的平板玻璃窗后面。感光表面的有效直徑為0.5 mm。

C30921EH封裝在TO-18光管中，該光管允許從聚焦點(diǎn)或直徑高達0.25 mm的光纖將光有效耦合到探測器。密封的TO-18封裝允許光纖與光管端部匹配，以最大限度地減少信號損失，而無(wú)需擔心危及探測器穩定性。C30902EH-2或C30902SH-2（帶內置905nm通帶濾波器的密封TO-18封裝）和C30902BH（帶密封球透鏡）構成了C30902系列。

C30902SH和C30921SH均選用具有極低噪聲和體暗電流的C30902EH和C30921EH光電二極管。它們適用于超微光級應用（光功率小于1 pW），可在增益高達250或更高的正常線(xiàn)性模式（VrVbr）下的光子計數器使用，其中單個(gè)光電子可觸發(fā)約108個(gè)載波的雪崩脈沖。在這種模式下，不需要放大器，單光子檢測概率可能高達約50%。

光子計數在門(mén)控和符合技術(shù)用于信號檢索的情況下也是有利的。

主要特征    

高量子效率：在830 nm時(shí)為77%    

C30902SH和C30921SH可在蓋革模式下運行    

C30902EH/SH-2型，帶內置905 nm過(guò)濾器    

C30902BH型，帶球形透鏡    

密封包裝    

室溫下的低噪音    

高響應度–內部雪崩增益超過(guò)150    

光譜響應范圍-    （10%Q.E.點(diǎn)）400至1000納米    

時(shí)間響應–通常為0.5納秒    

寬工作溫度范圍-40°C至+70°C    

符合RoHS標準

應用

•激光雷達

•測距

•小信號熒光

•光子計數

•條形碼掃描

表1。電光特性

測試條件：外殼溫度=22?C，除非另有規定，請參見(jiàn)下頁(yè)的注釋。

1.在特定直流反向工作電壓下，Vop或Vr，隨每個(gè)裝置提供，光斑直徑為0.25 mm（C30902EH，SH）或0.10 mm（C30921EH，SH）。在180至250V的電壓下運行，設備將滿(mǎn)足上述電氣特性限制。

2.熱敏電阻的溫度（開(kāi)爾文）可為

使用以下方程式計算：[??] =  ??       ,

項次(??/??∞)

式中，R是測量的熱敏電阻電阻，單位為?,

?? = 3200，R0=5100Ω，T0=298.15 K和r∞ =

? ??R  e            ? 0.1113

表2–最大額定值

1.雪崩光電二極管中散粒噪聲電流的理論表達式為in=（2q（Ids+（IdbM2+PORM）F）BW）?，其中q是電子電荷，Ids是暗表面電流，Idb是暗體電流，F是過(guò)量噪聲系數，M是增益，PO是器件上的光功率，BW是噪聲帶寬。對于這些裝置，F=0.98（2-1/M）+0.02 M（參考文獻：PP Webb，RJ McIntyre，JJ Conradi，“RCA審查"，第35卷第234頁(yè)，（1974年））。

2.C30902SH和C309021SH可在更高的檢測概率下運行。（參見(jiàn)蓋革模式操作部分）。

3.主脈沖后1µs至60秒發(fā)生脈沖后。

 電光特性    圖1–22°C外殼溫度下的典型光譜響應度

圖2–典型量子效率與波長(cháng)的關(guān)系，作為外殼溫度的函數

圖3–830nm處的典型響應度與工作電壓（作為外殼溫度的函數）

圖4–典型噪聲電流與增益

圖5–典型暗電流與工作電壓

外殼溫度為22°C

圖6–典型增益–作為增益函數的帶寬乘積

外殼溫度為22°C

圖7–蓋革模式，830nm處光電子探測概率作為高于Vbr電壓的函數

外殼溫度為22°C

圖8–蓋革模式下C30921SH的載重線(xiàn)

圖9– 5%光子探測效率（830nm）下的典型暗計數與溫度

圖10–有源淬火電路中下一個(gè)100ns內的后脈沖概率與延遲時(shí)間

（典型用于Vbr下的C30902SH和C30921SH，外殼溫度為22°C時(shí)）

包裝圖紙（其他包裝可根據要求提供）

圖11–C30902EH和C30902SH，參考尺寸以毫米（英寸）為單位

圖12–C30921EH和C30921EH，燈管的包裝輪廓和剖面，參考尺寸

以毫米[英寸]為單位顯示

圖13–C30902EH-2和C30902SH-2所示參考尺寸，單位為毫米[英寸]

圖14–C30902BH，參考尺寸以mm為單位

圖15–C30902SH-TC/-DTC，TO-66，帶法蘭輪廓，參考尺寸以毫米（英寸）為單位

圖16–近似視野–C30902和C30921系列

角入射輻射≤ ??/2、感光面*發(fā)光。

入射輻射角度>??/2，但是≤ ?? /2、感光面部分發(fā)光

“-TC"和“-DTC"TE冷卻版本   

 TE冷卻的APD可用于不同的原因（圖15）。大多數應用程序得益于-TC（單）或-DTC（雙）版本，

原因有二：    1.如前所述，降低用于非常小信號檢測的熱噪聲。TC版本設計用于將APD運行至0?C而-DTC版本可在-20下運行?C當環(huán)境溫度為22℃時(shí)?C    

2.無(wú)論環(huán)境溫度如何，保持恒定的APD溫度。由于A(yíng)PD擊穿電壓隨溫度降低而降低，TE冷卻器允許單一工作電壓。此外，這種配置允許在擴展的環(huán)境溫度范圍內保持恒定的APD性能。    裝置內的熱敏電阻可用于監測APD溫度，并可用于實(shí)施TE冷卻器反饋回路，以保持APD溫度恒定或/和對APD偏置電壓進(jìn)行溫度補償。需要一個(gè)合適的散熱器來(lái)散熱APD和TE冷卻器產(chǎn)生的熱量。    定制設計    認識到不同的應用程序有不同的性能要求，Excelitas為這些APD提供了廣泛的定制，以滿(mǎn)足您的設計挑戰。暗計數選擇、自定義設備測試和打包是許多應用程序特定的解決方案之一    蓋革模式操作    當偏置電壓高于擊穿電壓時(shí)，雪崩光電二極管通常會(huì )傳導大電流。但是，如果電流限制在小于特定值（約50?A對于這些二極管），電流不穩定，可以自行關(guān)閉。對這一現象的解釋是，在任何時(shí)候，雪崩區的載流子數量都很小，而且波動(dòng)很大。如果數字恰好波動(dòng)到零，電流必須停止。If隨后保持關(guān)閉狀態(tài)，直到雪崩脈沖被大塊或光生載流子重新觸發(fā)。    選擇“S"型以產(chǎn)生小批量暗電流。這使得它們適用于蓋革模式下低于VBR的低噪聲操作或高于VBR的光子計數。在這種所謂的蓋革模式中，單個(gè)光電子（或熱產(chǎn)生的電子）可觸發(fā)雪崩脈沖，使光電二極管從其反向工作電壓Vr放電到略低于VBR的電壓。該雪崩發(fā)生的概率如圖7所示為“光電子檢測概率"，可以看出，它隨著(zhù)反向電壓Vr的增加而增加。對于給定的Vr Vbr值，光電子探測概率與溫度無(wú)關(guān)。為了確定光子探測概率，需要將光子探測概率乘以量子效率，如圖2所示。量子效率也相對獨立于溫度，除了在1000 nm截止附近。    

“S"型可在蓋革模式下使用“無(wú)源"或“有源"脈沖熄滅電路。下面討論每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 

   無(wú)源熄滅電路    簡(jiǎn)單的，在許多情況下是一種*合適的熄滅擊穿脈沖的方法，是通過(guò)使用限流負載電阻器。這種“被動(dòng)"淬火的示例如圖17所示。電路的負載線(xiàn)如圖8所示。要在Vbr下處于導通狀態(tài)，必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：    1.雪崩必須由進(jìn)入二極管雪崩區的光電子或體產(chǎn)生的電子觸發(fā)。（注：硅中的空穴在開(kāi)始雪崩時(shí)效率很低。）上面討論了觸發(fā)雪崩的概率。   

 2.為了繼續處于導電狀態(tài)，必須有足夠大的電流（稱(chēng)為閉鎖電流ILATCH）通過(guò)器件，以便在雪崩區域始終存在電子或空穴。通常在C30902SH和C30921SH中，ILATCH=50?A.對于遠大于ILATCH的電流（Vr Vbr）/RL，二極管保持導通。如果電流（Vr Vbr）/RL遠小于ILATCH，則二極管幾乎立即切換到非導通狀態(tài)。如果（Vr Vbr）/RL近似等于ILATCH，則二極管將在任意時(shí)間從導通狀態(tài)切換到非導通狀態(tài)，這取決于雪崩區域中的電子和空穴數量統計波動(dòng)到零的時(shí)間。    當RL較大時(shí)，光電二極管正常導通，且在非導通狀態(tài)下工作點(diǎn)位于Vr IDSRL。雪崩擊穿后，該器件以時(shí)間常數RLC重新充電至電壓Vr-IDSRL，其中C是包括雜散電容在內的總器件電容。使用C=1.6 pF和RL=200 k? 充電時(shí)間常數為0.32?s是計算出來(lái)的。上升時(shí)間很快，為5到50ns，隨著(zhù)Vr-Vbr的增加而減少，并且非常依賴(lài)于負載電阻器、引線(xiàn)、電容器的電容，        

 圖17–無(wú)源淬火電路示例

主動(dòng)淬火電路

在C30902SH充電之前，檢測到另一個(gè)入射光電子的概率相對較低。為避免在高于Vbr的大電壓下運行時(shí)出現過(guò)多死區，可使用“主動(dòng)淬火"電路。在檢測到雪崩放電后，電路會(huì )暫時(shí)將偏置電壓降低幾分之一微秒。這個(gè)延遲時(shí)間允許收集所有電子和空穴，包括那些暫時(shí)“捕獲"在硅中不同雜質(zhì)位置的電子和空穴。當重新施加更高的電壓時(shí)，耗盡區中沒(méi)有電子觸發(fā)另一次雪崩或鎖定二極管。通過(guò)一個(gè)小的負載電阻，充電可以非常迅速?；蛘?，可以保持偏置電壓，但負載電阻器由晶體管替換，該晶體管在雪崩后短時(shí)間保持關(guān)閉，然后開(kāi)啟一段足以對光電二極管充電的時(shí)間。

定時(shí)分辨率

對于光子計數應用，當在曲線(xiàn)上繪制并平均半高寬時(shí)，檢測到光子后TTL觸發(fā)脈沖的時(shí)間是計時(shí)分辨率或時(shí)間抖動(dòng)。半電壓點(diǎn)處的抖動(dòng)通常與上升時(shí)間的數量級相同。對于必須具有最小抖動(dòng)的定時(shí)目的，應使用上升脈沖的低可能閾值。

脈沖后

后脈沖是繼光子產(chǎn)生的脈沖之后并由其誘導的雪崩擊穿脈沖。后脈沖通常由雪崩期間通過(guò)二極管的大約108個(gè)載波之一引起。如前所述，該電子或空穴被捕獲并捕獲在硅中的某個(gè)雜質(zhì)位置。當這個(gè)電荷載體被釋放時(shí)，通常在不到100納秒但有時(shí)幾毫秒之后，它可能會(huì )開(kāi)始另一次雪崩。使用圖17所示的電路，在高于Vbr 2伏時(shí)，超過(guò)1微秒后出現后脈沖的概率通常小于1%。

后脈沖隨偏壓的增大而增大。如果需要減少后脈沖，建議將Vr Vbr保持在低水平，使用具有長(cháng)延遲線(xiàn)的主動(dòng)淬火電路，或具有長(cháng)RLC常數的被動(dòng)淬火電路。雜散電容也必須最小化。在某些情況下，可以對信號進(jìn)行電子選通。如果在特定應用中后脈沖是一個(gè)嚴重的并發(fā)癥，可以考慮在Vbr以下使用良好的放大器進(jìn)行操作。

暗電流

已選擇“S"版本以具有較低的暗計數率。冷卻至-25?由于暗計數率對溫度的依賴(lài)性是指數性的，因此C可以將其降低約50倍。

暗計數隨著(zhù)電壓的增加而增加，其曲線(xiàn)與光電子檢測概率相同，直到電壓在脈沖后產(chǎn)生反饋機制，從而顯著(zhù)增加暗計數率。該最大電壓取決于電路，除表1中列出的值外，不受保證。在大多數情況下，延遲時(shí)間為300納秒，二極管可在高達Vbr+25V的電壓下有效使用。

C30902不應向前偏置，或者在無(wú)偏置時(shí)，不應暴露在強照明下。這些條件導致暗計數大大增強，可能需要24小時(shí)才能恢復到其標稱(chēng)值。

RoHS合規性

C30902和C30921系列雪崩光電二極管的設計和制造*符合歐盟指令2011/65/EU–限制在電氣和電子設備中使用某些有害物質(zhì)（RoHS）。

擔保

裝運后的標準12個(gè)月保修適用。如果光電二極管窗口已打開(kāi)，則任何保修均無(wú)效。

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