GUIDE DE SÉLECTION APD - Si oU InGaAs
CHOISIR LE BON MATÉRIAU D’APD
POUR LA TÉLÉMÉTRIE LASER
Lors de la conception des télémètres laser (LRF), la bonne combinaison de diodes laser pulsées (PLD) et de photodiodes à avalanche (APD) peut améliorer la portée, la précision, la durée de vie de la batterie et le coût global.
Le matériau de détecteur de l’APD influe grandement sur la fiabilité de la télémétrie. En fonction des demandes en matière de portée maximale, de résolution et de sécurité des yeux, les concepteurs ont le choix entre des composés III-V comme l’InGaAs ou les APD à base de silicium, sachant que les deux catégories possèdent chacune leur lot spécifique d’avantages et d’inconvénients. Ces derniers doivent, bien entendu, être associés à la longueur d’onde laser appropriée des PLD, typiquement 905 nm pour le silicium et 1 550 nm pour l’InGaAs.
Cette section de nos guides LRF fournit des conseils pertinents sur la manière de choisir les meilleures APD standard et sur les cas où une solution personnalisée est à envisager.
INTERDÉPENDANCES DES APD
Le choix de la bonne APD pour les LRF est un sujet complexe. Il y a de nombreux paramètres à prendre en compte, tels que la longueur d’onde, la surface active, la capacité, le temps d’établissement, le courant d’obscurité, la température et le groupage.
Le défi : il n’est pas possible d’en modifier un sans affecter les autres. Comme vous pouvez le voir ci-dessous, ils forment ensemble une toile complexe d’interdépendances.
Votre objectif doit toujours être de trouver le bon équilibre qui fournira la meilleure valeur pour un facteur clé souhaité sans avoir à accepter de pertes significatives ailleurs.
PARAMÈTRES DU SYSTÈME ET ASPECTS DE CONCEPTION
LONGUEUR D’ONDE
En fonction des prérequis du système et des conditions ambiantes, les applications de télémétrie laser utilisent généralement des émetteurs à deux longueurs d’onde.
- La longueur 905 nm est largement utilisée dans les applications industrielles et grand public. Elle offre une bonne précision de télémétrie et un coût global inférieur du système grâce aux APD au silicium.
- 1 550 nm est la longueur d’onde privilégiée pour les équipements militaires, de défense et de surveillance haut de gamme. Elle offre une portée plus étendue qu’avec 905 nm et la sécurité des yeux à tous les niveaux de puissance. En plus de cela, les systèmes à 1 550 nm présentent généralement aussi une vulnérabilité réduite au bruit de fond solaire et une meilleure pénétration dans des conditions atmosphériques comme le brouillard, la pluie et la poussière.
Il est évident que la plage de sensibilité de l’APD doit correspondre aux longueurs d’onde des diodes laser pulsées, PLD.
905 NM – FAIBLE COURANT D’OBSCURITÉ VS SENSIBILITÉ ÉLEVÉE
Les APD au silicium couvrent une vaste gamme de réponse spectrale allant des UV à l’infrarouge proche (NIR) et permettent une grande flexibilité en matière de conception du système. Grâce à leurs faibles niveaux de courant d’obscurité et à leur potentiel d’obtention de gains d’amplification très importants, elles offrent un rapport signal-bruit (SNR) élevé qui améliore la sensibilité et la précision en cas de faible luminosité, même pour le comptage de photons uniques.
D’autre part, elles sont vulnérables à l’illumination de fond solaire et bien qu’elles permettent d’obtenir des gains d’exploitation plus importants que les APD InGaAs, elles amplifieront aussi ledit signal de fond. Une augmentation de la puissance émise par la source laser impliquerait un risque de dépassement des limites de sécurité des yeux. La considération des APD InGaAs reste par conséquent une option valable.
1 550 NM – L’INGAAS POUR TOUT TYPE DE MÉTÉO
Les APD InGaAs sont optimisées spécialement pour le fonctionnement dans le spectre infrarouge, typiquement entre 900 nm et 1 700 nm, tandis que les APD Si ne réagissent pas à la lumière au-delà de 1 100 nm. Par conséquent, l’InGaAs est considéré comme le choix évident pour les systèmes à 1 550 nm, notamment dans les scénarios nécessitant la détection de faibles signaux ou des mesures longue portée. Leur vulnérabilité réduite à l’illumination de fond solaire visible entraîne de meilleures performances dans les environnements extérieurs avec un fort ensoleillement ; en parallèle, elles offrent aussi une bonne pénétration à travers le brouillard, la pluie et la poussière.
AUTRES CONSIDÉRATIONS
SURFACE ACTIVE
La surface active d’une photodiode impacte sa capacité à collecter et à traiter la lumière. Lors du choix d’une APD pour la télémétrie, il convient de toujours tenir compte des interdépendances avec la capacité du composant et d’autres caractéristiques comme le courant d’obscurité et de bruit.
De manière générale, les APD au silicium peuvent offrir une surface active beaucoup plus étendue, ce qui améliore la sensibilité globale et permet la détection de signaux de retour plus faibles. Cela fournit une précision de mesure plus élevée, notamment à plus longue portée, et un champ de vue (FoV) plus étendu. Toutefois, la surface active augmente également la capacité qui augmente à son tour le bruit dans les circuits d’amplification électrique du premier étage et ralentit le temps de réponse de l’APD. Les surfaces plus étendues impliquent aussi des courants de fuite plus importants et ont de ce fait un effet négatif sur le SNR. En revanche, les surfaces actives typiquement plus réduites des APD InGaAs entraînent une capacité plus faible, des temps de réponse plus rapides et une bande passante supérieure.
Par conséquent, ces photodiodes sont mieux adaptées aux applications nécessitant une détection et une mesure rapides des impulsions laser, mais leur taille plus réduite ajoute de la complexité à l’alignement des optiques pour focaliser correctement le signal de retour.
COURANTS D’OBSCURITÉ ET DE BRUIT
Le courant d’obscurité dans les APD se rapporte au flux de courant en l’absence de lumière incidente. Il contribue au bruit de fond général, réduit le SNR de l’APD et a un impact sur sa sensibilité et ses performances dans des conditions de faible luminosité.
Cependant, les niveaux de courant d’obscurité peuvent varier en fonction des différentes variantes d’APD et des processus de fabrication ; il est par conséquent essentiel de prendre en compte les spécifications de courant d’obscurité propres à chaque modèle d’APD ainsi que le nombre de photons reçus attendu pour l’application et son niveau de performance souhaité.
Au-delà du courant d’obscurité, le phénomène d’avalanche interne en lui-même génère du bruit qui dépend du niveau de gain et de la qualité de l’APD.
Généralement, les APD au silicium offrent une amplification plus faible du bruit et permettent donc d’atteindre des gains utilisables plus élevés par rapport aux APD InGaAs. Compte tenu de l’illumination de fond solaire plus élevée et de son amplification par les APD au silicium, la télémétrie à l’aide de l’InGaAs permet tout de même souvent d’obtenir des portées plus longues.
CAPACITÉ
La capacité désigne la faculté d’un dispositif à porter des charges électriques. Dans les APD, la capacité résulte de la structure et de la conception du dispositif, y compris l’épaisseur de la région d’appauvrissement et la capacité de transition associée. La capacité d’une APD affecte sa faculté à réagir rapidement aux changements d’intensité de la lumière incidente, ce qui est crucial pour une télémétrie laser précise.
Les APD au silicium, qui est un matériau indirect nécessitant donc des transitions bien plus épaisses, affichent de ce fait généralement une capacité de transition inférieure par rapport aux APD InGaAs, qui est un matériau à bande interdite directe et peut donc se contenter de couches beaucoup plus fines pour absorber intégralement la lumière, permettant ainsi des temps de réponse plus rapides et une distorsion réduite des signaux. Malgré tout, l’interdépendance entre la surface active et la capacité doit être prise en compte et les deux facteurs doivent être équilibrés.
TEMPS D’ÉTABLISSEMENT
Le temps d’établissement d’une APD fait référence au temps que met le signal de sortie à réagir à un changement d’intensité de la lumière incidente.
Le temps d’établissement peut être ralenti par une capacité élevée, une tension de polarisation plus faible ou des longueurs d’onde plus longues. Il est par conséquent important de trouver un équilibre entre ces facteurs. Alors qu’une faible capacité est privilégiée pour obtenir des temps d’établissement plus rapides, il est essentiel de s’assurer que l’APD conserve toujours une sensibilité et un rapport signal-bruit (SNR) suffisants pour des mesures de distance précises.
GROUPAGE
Les designs de groupage pour les APD diffèrent considérablement et sont principalement déterminés par les besoins des applications spécifiques. Les options vont des boîtiers Transistor Outline (TO) et des composants montés en surfaces (SMD) classiques jusqu’aux solutions à fibre amorce, aux dispositifs avec des lentilles pour augmenter le champ de vue et aux filtres passe-bande intégrés, ajustés aux applications et aux sources de lumière spécifiques. Il est par conséquent difficile de pointer des différences générales entre les technologies de groupage pour le silicium et l’InGaAs.
TEMPÉRATURE DE SERVICE
Les concepteurs d’APD au silicium et InGaAs doivent prendre en compte les conditions de température de service de leurs systèmes. Pour commencer, la tension de service nominale pour atteindre un certain gain va varier en fonction de la température dans une mesure différente selon l’épaisseur de matériau, généralement avec des changements plus importants pour le silicium que pour l’InGaAs étant donné que le matériau actif est plus épais.
Les courants d’obscurité et de bruit augmentent également en cas de températures plus élevées et diminuent inversement à des températures plus basses, généralement avec un facteur de deux par tranche de 8 à 10 degrés Celsius. Pour certaines applications, il s’avère donc judicieux d’intégrer un refroidisseur thermoélectrique (TEC) ou un radiateur afin de stabiliser la température de service et donc de simplifier la boucle de régulation nécessaire au maintien d’un gain stable sur toute la plage de température, malgré un coût supérieur.
Par ailleurs, l’efficacité quantique (Q.E.) et le spectre de sensibilité changent vers les longueurs d’onde plus courtes à des températures plus froides, ce qui peut rendre une APD au silicium presque insensible à basse température autour de la longueur d’onde Nd:YAG (1 064 nm). Certains compromis sont possibles pour obtenir une réponse quasi athermique avec un gain d’exploitation plus faible dans une plage de température spécifique, ce qui permet de réduire davantage la complexité de l’électronique. Il existe également un risque potentiel de ne plus disposer d’aucune plage dynamique restante si la tension de claquage atteint la tension de pénétration à basse température. Il est par conséquent crucial de choisir les bonnes options, le bon groupage et une électronique de commande adaptée au design afin de répondre aux besoins de votre application dans les conditions de fonctionnement ambiantes attendues.
COÛTS
Le coût est un facteur important en faveur des APD au silicium. Elles peuvent être mises en œuvre sur des wafers plus larges à l’aide de processus de lithographie, de métallisation et de diffusion bien établis. Cette technologie bien établie permet un coût par APD plus faible et de meilleures économies d’échelle. Les APD InGaAs requièrent en revanche des techniques d’épitaxie plus complexes ou des wafers plus petits, ce qui fait monter davantage leur coût unitaire.
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