Evaluación del impacto de la temperatura en el comportamiento del sensor APD LiDAR

A medida que los sistemas LiDAR ganen aceptación en los vehículos autónomos, será fundamental comprender el impacto de la temperatura en sus sensores. Estos sensores deben funcionar de manera precisa y confiable en una variedad de condiciones ambientales. Por lo general, se requiere un rango de temperatura de funcionamiento de "grado 1" automotriz de -40 °C a 125 °C. Este rango de temperatura es necesario para la funcionalidad al tener en cuenta las posiciones expuestas al sol del sensor, el autocalentamiento de los componentes electrónicos al interior del sensor y diversas condiciones ambientales en todo el mundo.

El fotodiodo de avalancha (avalanche photo diode, APD) es una tecnología popular de sensores que se está incorporando rápidamente en los sistemas LiDAR. Este informe brinda información sobre las propiedades típicas del fotodiodo de avalancha (APD) para un rango de -40 °C a 125 °C.

Para utilizar sensores APD en este rango de temperatura, es importante comprender la dependencia de los siguientes parámetros: 

• Voltaje disruptivo (break down voltage, Vbr) 
• Corriente residual (dark current, Id)
• Ganancia (M)
• Responsividad espectral (S)
• Comportamiento dinámico (tiempo de subida)
• Capacidad eléctrica (C)

Los sensores APD fabricados con tecnología de silicio común muestran un comportamiento dependiente de la temperatura significativo. Con base en la física de los materiales semiconductores, tales dependencias tienen diferentes propiedades físicas.

En esta descripción general, describimos tres efectos:

• Generación intrínseca de par electrón-hueco
• Camino libre medio de electrones en el volumen de multiplicación
• Probabilidad de pares electrón-hueco generados ópticamente

Con el aumento de la temperatura, más electrones se agitan a partir de la banda de valencia hacia la banda de conducción, lo que aumenta el flujo de corriente inversa en un sensor APD. Tal corriente inversa es igual a la corriente residual del APD, cuando ninguna luz genera electrones adicionales.

El camino libre medio de los electrones en movimiento en el volumen de multiplicación de un APD depende en gran medida de la temperatura. Cuanto más elevada sea la temperatura, más corto será el camino libre medio derivado de núcleos atómicos que se mueven más rápido en el material semiconductor del APD. La camino libre medio más corto disminuye la probabilidad de alcanzar la energía de ionización de impacto, lo que resulta en una ganancia menor a una polarización fija. El mismo mecanismo aumenta el voltaje de ruptura con un aumento de la temperatura también.

Los núcleos atómicos que se mueven más rápido dentro del material semiconductor del APD aumentan la probabilidad de colisionar fotones con átomos y generar pares electrón-hueco. Esta probabilidad tiene una dependencia directa de la eficiencia cuántica y , por lo tanto, de la responsividad espectral para un espesor de capa intrínseco fijo. En el caso de los fotones, que no se absorben por completo en el área activa del APD, la responsividad espectral aumenta con temperaturas más altas.

El primer efecto físico mencionado en la descripción general tiene un impacto significativo en la corriente residual. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la generación intrínseca de par electrón-hueco . La corriente residual aumenta con temperaturas más altas. En la figura 1, se muestra la corriente residual del APD AD500-9 correspondiente a una temperatura de -40 °C, 25 °C, 85 °C y 125 °C. El segundo efecto físico cambia el voltaje de ruptura Vbr a voltajes más altos. Para -40 °C, el Vbr se acerca a 95 V y aumenta a 322 V para una temperatura de 125 °C. El cambio del voltaje de ruptura es una función lineal simple. El coeficiente de temperatura correspondiente es de aproximadamente 1.4 V/K. La Tabla 1 muestra la dependencia de la temperatura del Vbr. Las características de voltaje de la corriente residual para una temperatura de -40 °C para bajos voltajes se determinan según el piso de ruido de nuestra configuración de medición según se marca con un rectángulo gris en la figura 1.

La ganancia del sensor AD500-9 para diferentes temperaturas se muestra en la figura 2. El mismo efecto, que cambia el Vbr a voltajes más altos, también cambia la ganancia óptima a puntos de operación más altos. El camino libre medio de los electrones disminuye con temperaturas más altas. Este efecto disminuye la ganancia para un voltaje fijo. Se necesitan puntos de operación más altos para alcanzar cierta ganancia. La curva de ganancia es más pronunciada para temperaturas más bajas. En este caso, el camino libre medio de los electrones es tan alto, que los voltajes más bajos dan aceleración suficiente para alcanzar la energía de ionización de impacto. La ganancia aumenta más rápido en el caso de voltajes crecientes.

La responsividad espectral aumenta ligeramente con la temperatura más alta. Esto se debe a una mayor probabilidad de generar pares electrón-hueco si no se absorbe toda la potencia óptica en el material semiconductor. La Figura 3 muestra la tendencia de la responsividad espectral en relación con la responsividad para 25 °C. Está demostrado que la responsividad aumenta con el aumento de la temperatura.

La curva de capacidad eléctrica brinda información sobre la capacidad eléctrica para diferentes voltajes. Es un parámetro importante para el dimensionamiento de los circuitos receptores y tiene gran influencia en el comportamiento dinámico del sensor APD. La Figura 4 muestra las tendencias de capacidad eléctrica para un sensor APD AD500-9, medido con un medidor LCR.

La frecuencia de medición es de 1 MHz con una amplitud de 15 mV. El comportamiento que se muestra en la Figura 4 se podría explicar con la ayuda de un condensador de placa. El espesor de la zona agotada representa el espesor del condensador de placa. El voltaje aumenta la región de agotamiento. Por lo tanto, se muestra una tendencia decreciente en la figura 4 con una alta aceleración a 45 voltios, donde el volumen de multiplicación se agota por completo.

Con un APD completamente agotado, el espesor del condensador de placa no cambia con un voltaje de 50 V y más. Las curvas se midieron para diferentes temperaturas. Por encima de 50 V, la capacidad eléctrica no cambia con la temperatura. Esto difícilmente se debe a un APD completamente agotado que es independiente de la temperatura. Por debajo de 50 voltios, la tendencia de la curva de capacidad eléctrica para temperaturas más altas es menor que para las curvas de capacidad eléctrica con temperaturas más bajas, pero esto podría ser una limitación de la configuración de medición y no tiene que ser físico.

Los parámetros de medición (frecuencia y amplitud) del medidor LCR están optimizados para baja capacidad eléctrica. Por lo tanto, los datos por encima de voltajes de 45 V son más precisos que los de voltajes por debajo de 45 V. La Tabla 3 muestra la capacidad eléctrica para una ganancia de 20. El voltaje de ruptura del sensor AD500-9 en esta medición es menor que para el APD de otras mediciones. La Figura 4 muestra que la capacidad eléctrica por encima de 50 V se acerca a 1 pF y no cambia significativamente para temperaturas más altas o voltajes de operación

En el caso de los sistemas LiDAR, los tiempos de subida de los pulsos APD son parámetros clave para su rendimiento. Por lo tanto, se requiere la investigación de la dependencia de estos parámetros en el voltaje y la temperatura de funcionamiento. La Figura 5 muestra el tiempo de subida en comparación con el voltaje para diferentes temperaturas. El tiempo de subida se determina midiendo con un osciloscopio la respuesta a la excitación con pulsos ópticos ultrarrápidos. La medición se realizó con una impedancia de entrada de 50 Ω. La Figura 5 muestra que para temperaturas más altas, es necesario un voltaje de operación más alto para alcanzar el mismo tiempo de subida. Esto provoca una disminución de la velocidad de deriva de saturación para temperaturas más altas.

Los resultados que aparecen en la Figura 5 muestran que las temperaturas más bajas mejoran el comportamiento dinámico. Sin embargo, una ganancia fija de un sensor APD es importante para muchas aplicaciones. La figura 2 muestra las curvas de ganancia para diferentes temperaturas. Como se mencionó anteriormente, las temperaturas más bajas causan curvas de ganancia más pronunciadas. Esto significa que la ganancia es muy alta, incluso para bajos voltajes.

El camino libre medio de los electrones en el volumen de multiplicación es grande y, por lo tanto, la velocidad de deriva de saturación es alta. Sin embargo, el campo eléctrico no es lo suficientemente alto como para compensar el efecto positivo de una mayor velocidad de deriva de saturación. La figura 6 muestra el tiempo de subida en comparación con la ganancia. Para una cierta ganancia, una temperatura más alta resulta en un tiempo de subida más corto. Esto se debe a un campo eléctrico más fuerte en el sensor APD para la misma ganancia pero a temperaturas más altas.

La Figura 6 muestra la influencia de la temperatura en el comportamiento dinámico para la multiplicación fija y bajo simulación de luz ambiental continua. Una vez más, se puede observar que las temperaturas más altas requieren una mayor polarización de operación para una cierta ganancia que causa respuestas más rápidas. Además, se puede ver que una iluminación ambiental más intensa no reduce el tiempo de respuesta ni causa saturación. Sin embargo, debido a los efectos de autocalentamiento de la fotocorriente CW a -40 °C, las polarizaciones de operación son ligeramente más altas y, por lo tanto, los APD parecen más rápidos bajo densidades de iluminación más altas. 

La Figura 7 muestra la fotocorriente para diferentes niveles de iluminación CW de 905 nm a diferentes temperaturas para un rango de entrada típico de un TIA. El rango dinámico no se ve afectado debido a la temperatura de funcionamiento de entre -40 °C y 125 °C.

Jona Kurpiers, Ph.D., TE Connectivity