光診断装置におけるダイオードの応答速度はどの程度重要ですか?

1、技術原理：応答速度の物理的本質
ダイオードの応答速度は、本質的に、光で生成された電荷キャリアの生成、伝達、および再結合プロセスを総合的に反映したものです。光子のエネルギーが半導体材料のバンドギャップ幅を超えると、価電子帯の電子が伝導帯に遷移して正孔対を形成し、-内蔵電場の作用により光電流が発生します。このプロセスには、次の 3 つの主要な時間パラメータが含まれます。

キャリア生成時間: 材料の吸収係数の影響により、ガリウムヒ素 (GaAs) などの直接バンドギャップ材料はピコ秒で光子の吸収とキャリア生成を完了できますが、シリコンなどの間接バンドギャップ材料はナノ秒を必要とします。
キャリア走行時間: PIN ダイオードは、真性層の厚さを最適化することでキャリア輸送経路をマイクロメートル レベルまで短縮し、リン化インジウム InP などの高電子移動度材料を使用すると、走行時間を 10ps 以内に制御できます。
接合容量の影響: ダイオードの寄生容量によって RC 遅延が形成されます。ヘテロ接合構造と表面パッシベーション技術を使用することで、接合容量を 0.1pF 以下に低減でき、高周波応答能力が大幅に向上します。-
Tektronix オシロスコープの LIDAR テストへの応用を例に挙げると、そのアバランシェ フォト ダイオード (APD) は、内部ゲイン メカニズムを通じて 1550nm の波長で 0.5ns の応答時間を達成でき、帯域幅 20GHz のオシロスコープでナノ秒レーザー パルスの往復時間を正確に捕捉できるため、自動駆動システムが 200m 以内でセンチメートル レベルの測位精度を確実に取得できるようになります。{2}}

2、アプリケーションシナリオ: 速度がシステム効率を決定します
1. 産業オートメーション試験
3C 製品の表面欠陥検出では、リニア CCD カメラは応答時間 2ns の InGaAs フォトダイオード アレイを使用し、100kHz のライン走査周波数と組み合わせて、A4 サイズのパネルのマイクロメートル レベルの欠陥認識を 0.1 秒以内に完了します。ある半導体パッケージング会社は、応答速度 0.5ns の APD センサーにアップグレードすることで、ウェーハ検出スループットを 1 時間あたり 300 枚のウェーハから 800 枚のウェーハにアップグレードし、その結果全体の装置効率 (OEE) が 37% 向上しました。

2. 医用画像診断
OCT（光コヒーレンス断層撮影）装置では、バランス型検出器にデュアルPINダイオード差動構造を採用し、波長1310nmで軸分解能15μm、応答時間0.3nsを実現しています。眼科用 OCT システムのアップグレード後は、網膜の 10 層構造を明確に区別できるようになり、糖尿病網膜症の早期診断の精度が 78% から 92% に向上しました。

3. レーザー通信システム
100Gbps 光モジュールでは、トランスインピーダンス アンプ (TIA) と組み合わせた PIN ダイオードが、波長 1550nm で 0.8ns の応答時間を達成し、アイの開閉度が 80% を超え、ビット誤り率 (BER) が 10 ⁻¹ ² を超えることを保証します。あるデータセンターはこのテクノロジーを導入して、単一ファイバーの伝送容量を 40Tbps から 100Tbps に増加させ、単位ビットのエネルギー消費を 42% 削減しました。

4. 環境モニタリング分野
LIDAR 大気検出システムでは、応答時間 0.2ns の APD アレイが 532nm レーザー パルスと組み合わせて使用​​され、高さ 20km の範囲内のエアロゾル濃度分布をリアルタイムで監視します。-気象局は機器をアップグレードした後、PM2.5 の予測時間を 6 時間から 24 時間に延長し、予測の精度が 18 パーセントポイント向上しました。

3、パフォーマンスの最適化: 多次元の技術的ブレークスルー
1. マテリアルイノベーション
窒化ガリウム (GaN) ベースのダイオードは、波長 405nm で 0.1ns の応答を実現します。これは、従来の GaAs 材料よりも 5 倍高速です。これらは、青色光 DVD 読み取りヘッドや水中レーザー通信に応用されています。
量子ドット材料は、バンドギャップ幅を調整することでダイオード応答の波長範囲を 300 ～ 2000nm に拡張し、マルチスペクトル診断の要件を満たします。

2. 構造の最適化
表面プラズモン増強構造は、0.5nsの応答速度を維持しながら、金属ナノ粒子の局在電場増強効果により光電変換効率を30%向上させます。
3D 集積技術により、TIA チップを使用してダイオードを垂直に積層し、寄生容量を 60% 削減し、30 GHz を超えるモジュール応答帯域幅を実現します。

3. プロセスの改善
分子線エピタキシー (MBE) 技術は、原子レベルの平坦性で半導体層の準備を制御し、暗電流を 0.1nA に低減し、信号対雑音比を 20dB 改善します。--。
ディープ反応性イオン エッチング (DRIE) 技術は、マイクロスケールの構造処理を実現し、ダイオード接合容量を 0.05pF に低減し、高周波特性を大幅に改善します。-