Évaluer l’impact de la température sur les capteurs APD de LiDAR

Les systèmes LiDAR étant de plus en plus utilisés dans les véhicules autonomes, il est indispensable de comprendre l'impact de la capteurs. Ces capteurs doivent fonctionner de manière fiable et précise dans divers environnements. En général, on exige une plage de température de fonctionnement automobile de « classe 1 », allant de -40 °C à +125 °C. Cette plage de température est nécessaire pour garantir le bon fonctionnement des capteurs, en tenant compte de leur exposition au soleil, de la chaleur dégagée par les composants électroniques à l'intérieur du capteur et des diverses conditions ambiantes existant dans le monde.

La photodiode à avalanche (APD) est une technologie de capteur très répandue qui s’intègre rapidement dans les systèmes LiDAR. Cet article présente les propriétés caractéristiques des photodiodes à avalanche pour des températures allant de -40 °C à 125 °C.

Pour utiliser des capteurs APD dans cette plage de température, il est impératif de comprendre les relations avec les paramètres suivants : 

• Tension de claquage (Vbr) 
• Courant d’obscurité (ld)
• Gain (M)
• Sensibilité spectrale (S)
• Comportement dynamique (temps de montée)
• Capacité (C)

Les capteurs APD fabriqués à partir de silicium ordinaire ont un comportement qui dépend considérablement de la température. Ces dépendances ont des propriétés physiques différentes en fonction de la nature des matériaux semi-conducteurs.

Dans cet aperçu, nous décrivons trois phénomènes :

• Production intrinsèque de paires électron-trou
• Libre parcours moyen des électrons dans le volume de multiplication
• Probabilité de paires électron-trou générées optiquement

Avec l’augmentation de la température, un plus grand nombre d’électrons est excité depuis la bande de valence vers la bande de conduction, ce qui augmente le flux de courant inverse dans un capteur APD. Ce courant inverse est égal au courant d’obscurité de l'APD si aucune lumière ne génère d’électrons supplémentaires.

Le libre parcours moyen des électrons en mouvement dans le volume de multiplication d’un APD dépend fortement de la température. Plus la température est élevée, plus le libre parcours moyen est court en raison du déplacement plus rapide des noyaux atomiques dans le matériau semi-conducteur de l’APD. Un libre chemin moyen plus court diminue la probabilité d’atteindre l’énergie d’ionisation d’impact, ce qui entraîne un gain plus faible à une polarisation fixe. Le même mécanisme augmente également la tension de claquage avec l’augmentation de la température.

Les noyaux atomiques qui se déplacent plus rapidement dans le matériau semi-conducteur de l'APD augmentent la probabilité de collision des photons avec les atomes et donc de génération de paires électron-trou. Cette probabilité dépend directement du rendement quantique et donc de la réactivité spectrale pour une épaisseur de couche intrinsèque fixe. Pour les photons qui ne sont pas complètement absorbés dans la zone active de l’APD, la sensibilité spectrale augmente à mesure que la température devient plus élevée.

Le premier effet physique mentionné dans l’aperçu a un impact significatif sur le courant d’obscurité. Plus la température est élevée, plus la génération intrinsèque de paires électron-trou est élevée. Le courant d’obscurité augmente avec les températures plus élevées. La figure 1 illustre le courant d'obscurité pour une température de -40 °C, 25 °C, 85 °C et 125 °C pour l’APD AD500-9. Le deuxième effet physique déplace la tension de claquage Vbr vers des tensions plus élevées. Pour -40 °C, la Vbr approche 95 V et monte à 322 V pour une température de 125 °C. Le changement au niveau de la tension de claquage est une fonction linéaire simple. Le coefficient de température correspondant est d’environ 1,4 V/K. Le tableau 1 montre la relation entre la température et la valeur de Vbr. Les caractéristiques de tension du courant d’obscurité pour une température de -40 °C pour les basses tensions sont déterminées par le plancher de bruit de notre configuration de mesure, comme indiqué par un rectangle gris sur la Figure 1.

Le gain du capteur AD500-9 à différentes températures est illustré sur la Figure 2. Le même effet, qui déplace la Vbr vers des tensions plus élevées, déplace aussi le gain optimal vers des points de fonctionnement plus élevés. Le libre parcours moyen des électrons diminue à des températures plus élevées. Cet effet diminue le gain pour une tension fixe. Des points de fonctionnement plus élevés sont nécessaires pour atteindre un certain gain. La courbe du gain est plus raide à des températures plus basses. Dans ce cas, le libre parcours moyen des électrons est si élevé que des tensions plus faibles fournissent une accélération suffisante pour atteindre l’énergie d’ionisation de l’impact. Le gain augmente plus rapidement pour augmenter les tensions.

La sensibilité spectrale augmente légèrement à mesure que la température devient plus élevée. Ceci est dû à une probabilité plus élevée de générer des paires électron-trou si toute la puissance optique n’est pas absorbée par le matériau semi-conducteur. La Figure 3 illustre l’évolution de la sensibilité spectrale par rapport à la sensibilité à 25 °C. Elle montre que la sensibilité augmente avec l’augmentation de la température.

La courbe de capacité fournit des informations sur la capacité à différentes tensions. C’est un paramètre important pour dimensionner les circuits récepteurs car il a une grande influence sur le comportement dynamique du capteur APD. La Figure 4 montre l'évolution de la capacité d'un capteur APD AD500-9, mesuré(e) à l'aide d'un compteur LCR.

La fréquence de mesure est de 1 MHz avec une amplitude de 15 mV. Le comportement illustré dans la Figure 4 peut être expliqué à l’aide d’un condensateur à plaques. L’épaisseur de la zone de déplétion représente l’épaisseur du condensateur à plaques. La tension augmente la zone de déplétion. Par conséquent, la figure 4 met en évidence une diminution avec une forte accélération à 45 volts, où le volume de multiplication est entièrement déplété.

Avec un APD entièrement déplété, l’épaisseur du condensateur à plaques ne change pas avec une tension de 50 V et plus. Les courbes ont été mesurées à différentes températures. Au-dessus de 50 V, la capacité ne change pas avec la température. Ceci n’est pas causé par un APD entièrement déplété qui ne dépend pas de la température. En dessous de 50 V, la tendance de la courbe de la capacité pour les températures plus élevées est inférieure à celle des courbes de capacité avec des températures plus basses, mais cela pourrait être une limitation de la configuration de mesure et ne doit pas nécessairement être physique.

Les paramètres de mesure (fréquence et amplitude) du compteur LCR sont optimisés pour les faibles capacités. Ainsi, les données au-dessus des tensions de 45 V sont plus précises que pour les tensions en dessous de 45 V. Le Tableau 3 montre la capacité pour un gain de 20. La tension de claquage du capteur AD500-9 à cette mesure est inférieure à celle de l’APD à d'autres points de mesures. La Figure 4 montre que la capacité supérieure à 50 V approche 1 pF et ne change pas de manière significative à des températures ou des tensions de fonctionnement plus élevées.

Pour les systèmes LiDAR, les temps de montée des impulsions APD sont des paramètres clés pour leur performance. Il est donc nécessaire d'étudier la dépendance de ces paramètres par rapport à la tension et à la température de fonctionnement. La Figure 5 montre le temps de montée par rapport à la tension à différentes températures. Ce temps de montée est déterminé en mesurant avec un oscilloscope la réponse lors de l’excitation avec des impulsions optiques ultrarapides. La mesure a été effectuée avec une impédance d’entrée de 50 Ω. La Figure 5 montre que pour des températures plus élevées, une tension de fonctionnement plus élevée est nécessaire pour atteindre le même temps de montée. Cela entraîne une diminution de la vitesse de dérive de saturation à des températures plus élevées.

Les résultats présentés dans la Figure 5 montrent que des températures plus basses améliorent le comportement dynamique. Néanmoins, pour de nombreuses applications, un gain fixe pour un capteur APD est important. La Figure 2 montre les courbes du gain à différentes températures. Comme indiqué précédemment, des températures plus basses entraînent des courbes de gain plus raides. Autrement dit, le gain est très élevé même à des tensions basses.

Le libre parcours moyen des électrons dans le volume de multiplication est grand et par conséquence, la vitesse de dérive de saturation est élevée. Néanmoins, le champ électrique n’est pas assez élevé pour compenser l’effet positif d’une vitesse de dérive de saturation plus élevée. La Figure 6 présente le temps de montée par rapport au gain. Pour un gain donné, une température plus élevée se traduit par un temps de montée plus court. Ceci est dû à un champ électrique plus fort dans le capteur APD pour le même gain mais à des températures plus élevées.

La Figure 6 montre l’influence de la température sur le comportement dynamique pour une multiplication fixe et sous simulation de la lumière ambiante continue. Une fois encore, on observe que des températures plus élevées nécessitent une polarisation de fonctionnement plus élevée pour un gain donné entraînant des réponses plus rapides. De plus, on peut voir qu’un éclairage ambiant plus fort ne réduit pas le temps de réponse, pas plus qu'il ne provoque de saturation. Cependant, en raison des effets d’auto-échauffement du photocourant CW à -40 °C, les polarisations de fonctionnement sont légèrement plus élevés et, par conséquent, les APD semblent plus rapides à des densités d’éclairage plus élevées. 

La Figure 7 montre le photocourant à différents niveaux d’éclairage CW à 905 nm, à différentes températures pour une plage d’entrée typique d’un TIA. La plage dynamique n’est pas affectée par la température de fonctionnement comprise entre -40 °C et +125 °C.

Jona Kurpiers, titulaire d'un doctorat, TE Connectivity