Einfluss der Temperatur auf das Verhalten von APD LiDAR-Sensoren

Mit der zunehmenden Akzeptanz von LiDAR-Systemen in autonomen Fahrzeugen wird es von entscheidender Bedeutung sein, die Auswirkungen der Temperatur auf die Sensorenzu verstehen. Diese Sensoren müssen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen präzise und zuverlässig arbeiten. In der Regel ist ein Betriebstemperaturbereich von –40 °C bis 125 °C erforderlich, der für die Automobilindustrie als „Klasse 1“ bezeichnet wird. Dieser Temperaturbereich ist für die Funktionalität erforderlich, wenn man die sonnenexponierten Positionen des Sensors, die Selbsterhitzung der Elektronik im Inneren des Sensors und die verschiedenen Umgebungsbedingungen weltweit berücksichtigt.

Die Lawinenfotodiode (APD) ist eine beliebte Sensortechnologie, die immer häufiger in LiDAR-Systeme eingebaut wird. Dieser Bericht enthält Informationen über typische APD-Eigenschaften für einen Bereich von –40 °C bis 125 °C.

Um APD-Sensoren in diesem Temperaturbereich zu verwenden, ist es wichtig, die Abhängigkeit der folgenden Parameter zu verstehen: 

• Durchschlagspannung (Vbr) 
• Dunkelstrom (Id)
• Verstärkung (M)
• Spektrale Empfindlichkeit (S)
• Dynamisches Verhalten (Anlaufzeit)
• Kapazität (C)

APD-Sensoren, die in einer gängigen Siliziumtechnologie gefertigt werden, weisen ein signifikantes temperaturabhängiges Verhalten auf. Aufgrund der Physik von Halbleitermaterialien haben diese Abhängigkeiten unterschiedliche physikalische Eigenschaften.

In dieser Übersicht beschreiben wir drei Effekte:

• Intrinsische Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
• Mittlere freie Weglänge der Elektronen im Multiplikationsvolumen
• Wahrscheinlichkeit von optisch erzeugten Elektronen-Loch-Paaren

Mit steigender Temperatur werden mehr Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt, was den Rückstrom in einem APD-Sensor erhöht. Dieser Rückstrom ist gleich dem Dunkelstrom der APD, wenn kein Licht zusätzliche Elektronen erzeugt.

Die mittlere freie Weglänge der sich bewegenden Elektronen im Multiplikationsvolumen einer APD ist stark temperaturabhängig. Je höher die Temperatur, desto kürzer ist die mittlere freie Weglänge, die durch sich schneller bewegende Atomkerne im Halbleitermaterial der APD verursacht wird. Die kürzere mittlere freie Weglänge verringert die Wahrscheinlichkeit, die Stoßionisationsenergie zu erreichen, was zu einer geringeren Verstärkung bei einer festen Vorspannung führt. Der gleiche Mechanismus erhöht auch die Durchschlagspannung mit steigender Temperatur.

Sich schneller bewegende Atomkerne innerhalb des APD-Halbleitermaterials erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen mit Atomen kollidieren und Elektronenlochpaare erzeugen. Diese Wahrscheinlichkeit hängt direkt von der Quanteneffizienz und damit von der spektralen Empfindlichkeit bei einer festen intrinsischen Schichtdicke ab. Für Photonen, die im aktiven Bereich der APD nicht vollständig absorbiert werden, steigt die spektrale Empfindlichkeit mit höheren Temperaturen.

Der erste physikalische Effekt, der in der Übersicht erwähnt wird, hat einen erheblichen Einfluss auf den Dunkelstrom. Je höher die Temperatur, desto höher die intrinsische Elektron-Loch-Paarbildung. Der Dunkelstrom nimmt mit höheren Temperaturen zu. In Abbildung 1 ist der Dunkelstrom für die AD500-9 APD bei einer Temperatur von –40 ° C, 25 °C, 85 °C und 125 °C dargestellt. Der zweite physikalische Effekt verschiebt die Durchschlagspannung Vbr zu höheren Spannungen. Bei –40 °C nähert sich Vbr 95 V und steigt auf 322 V bei einer Temperatur von 125 °C. Die Änderung der Durchschlagspannung ist eine einfache lineare Funktion. Der entsprechende Temperaturkoeffizient beträgt etwa 1,4 V/K. Tabelle 1 zeigt die Temperaturabhängigkeit von Vbr. Die Dunkelstrom-Spannungs-Charakteristik für eine Temperatur von –40 °C für niedrige Spannungen wird durch das Grundrauschen unseres Messaufbaus bestimmt, wie mit einem grauen Rechteck in Abbildung 1 markiert.

Die Verstärkung des AD500-9 Sensors für verschiedene Temperaturen ist in Abbildung 2 dargestellt. Der gleiche Effekt, der die Vbr zu höheren Spannungen verschiebt, verschiebt auch die optimale Verstärkung zu höheren Arbeitspunkten. Die mittlere freie Weglänge der Elektronen nimmt mit höheren Temperaturen ab. Dieser Effekt vermindert die Verstärkung bei einer festen Spannung. Höhere Arbeitspunkte sind notwendig, um eine bestimmte Verstärkung zu erzielen. Die Verstärkungskurve ist bei niedrigeren Temperaturen steiler. In diesem Fall ist die mittlere freie Weglänge der Elektronen so hoch, dass niedrigere Spannungen eine ausreichende Beschleunigung bieten, um die Ionisierungsenergie des Impulses zu erreichen. Die Verstärkung steigt bei steigender Spannung schneller an.

Die spektrale Empfindlichkeit nimmt mit höherer Temperatur leicht zu. Dies wird durch eine höhere Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren verursacht, wenn nicht die gesamte optische Leistung im Halbleitermaterial absorbiert wird. Abbildung 3 zeigt den Trend der spektralen Empfindlichkeit im Verhältnis zur Empfindlichkeit bei 25 °C. Es zeigt sich, dass die Empfindlichkeit mit steigender Temperatur zunimmt.

Die Kapazitätskurve gibt Auskunft über die Kapazität bei verschiedenen Spannungen. Sie ist ein wichtiger Parameter für die Dimensionierung von Empfängerschaltungen und hat einen großen Einfluss auf das dynamische Verhalten des APD-Sensors. Abbildung 4 zeigt die Kapazitätsentwicklung einer AD500-9 APD-Sensor, gemessen mit einem LCR-Messgerät.

Die Messfrequenz beträgt 1 MHz mit einer Amplitude von 15 mV. Das in Abbildung 4 gezeigte Verhalten kann mit Hilfe eines Plattenkondensators erklärt werden. Die Dicke der verarmten Zone entspricht der Dicke des Plattenkondensators. Die Spannung vergrößert die Verarmungszone. Daher zeigt sich in Abbildung 4 ein abnehmender Trend mit einer hohen Beschleunigung bei 45 Volt, wo das Vervielfältigungsvolumen vollständig erschöpft ist.

Bei einer vollständig entleerten APD ändert sich die Dicke des Plattenkondensators bei einer Spannung von 50 V und mehr nicht. Die Kurven wurden für verschiedene Temperaturen gemessen. Über 50 V ändert sich die Kapazität nicht mit der Temperatur. Dies ist kaum auf eine vollständig erschöpfte APD zurückzuführen, die unabhängig von der Temperatur ist. Unterhalb von 50 Volt ist der Trend der Kapazitätskurve bei höheren Temperaturen niedriger als bei den Kapazitätskurven mit niedrigeren Temperaturen, aber das könnte eine Einschränkung des Messaufbaus sein und muss nicht physikalisch sein.

Die Messparameter (Frequenz und Amplitude) des LCR-Messgeräts sind für niedrige Kapazitäten optimiert. Daher sind die Daten über Spannungen von 45 V genauer als für Spannungen unter 45 V. Tabelle 3 zeigt die Kapazität für eine Verstärkung von 20. Die Durchschlagspannung des AD500-9 Sensors ist bei dieser Messung niedriger als bei der APD anderer Messungen. Abbildung 4 zeigt, dass die Kapazität oberhalb von 50 V annähernd 1 pF beträgt und sich bei höheren Temperaturen oder Betriebsspannungen nicht wesentlich ändert.

Bei LiDAR-Systemen sind die Anstiegszeiten der APD-Pulse der Schlüsselparameter für ihre Leistung. Daher ist die Untersuchung der Abhängigkeit dieser Parameter von der Betriebsspannung und der Temperatur erforderlich. Abbildung 5 zeigt die Anstiegszeit in Abhängigkeit von der Spannung bei verschiedenen Temperaturen. Die Anlaufzeit wird durch Messung der Reaktion auf die Anregung mit ultraschnellen optischen Impulsen mit einem Oszilloskop bestimmt. Die Messung wurde mit einem Eingangsscheinwiderstand von 50 Ω durchgeführt. Abbildung 5 zeigt, dass bei höheren Temperaturen eine höhere Betriebsspannung erforderlich ist, um die gleiche Anstiegszeit zu erreichen. Dies führt dazu, dass die Sättigungsdriftgeschwindigkeit bei höheren Temperaturen abnimmt.

Die in Abbildung 5 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass niedrigere Temperaturen das dynamische Verhalten verbessern. Dennoch ist für viele Anwendungen eine feste Verstärkung eines APD-Sensors wichtig. Abbildung 2 zeigt die Verstärkungskurven für verschiedene Temperaturen. Wie bereits erwähnt, verursachen niedrigere Temperaturen steilere Verstärkungskurven. Das bedeutet, dass die Verstärkung sehr hoch ist, selbst bei niedrigen Spannungen.

Die mittlere freie Weglänge der Elektronen im Multiplikationsvolumen ist groß und daher ist die Sättigungsdriftgeschwindigkeit hoch. Dennoch ist das elektrische Feld nicht hoch genug, um den positiven Effekt der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeit zu kompensieren. Abbildung 6 zeigt die Anlaufzeit im Vergleich zur Verstärkung. Bei einer bestimmten Verstärkung führt eine höhere Temperatur zu einer kürzeren Anlaufzeit. Dies wird durch ein stärkeres elektrisches Feld im APD-Sensor bei gleicher Verstärkung, aber höheren Temperaturen, verursacht.

Abbildung 6 zeigt den Einfluss der Temperatur auf das dynamische Verhalten bei fester Multiplikation und unter Simulation von kontinuierlichem Umgebungslicht. Auch hier ist zu beobachten, dass höhere Temperaturen eine höhere Betriebsvorspannung für eine bestimmte Verstärkung erfordern, was zu schnelleren Reaktionen führt. Außerdem ist zu erkennen, dass eine stärkere Umgebungsbeleuchtung weder die Reaktionszeit verkürzt noch eine Sättigung verursacht. Aufgrund von Selbsterhitzungseffekten des CW-Fotostroms bei –40 °C sind die Betriebsvorspannungen jedoch etwas höher, sodass APDs bei höheren Beleuchtungsdichten schneller erscheinen. 

Abbildung 7 zeigt den Fotostrom für verschiedene Stufen der 905-nm-CW-Beleuchtung bei verschiedenen Temperaturen für einen typischen Eingangsbereich einer TIA. Der dynamische Bereich wird durch die Betriebstemperatur zwischen –40 °C und 125 °C nicht beeinträchtigt.

Jona Kurpiers, Ph.D., TE Connectivity