Avaliação do Impacto da Temperatura sobre o Comportamento do Sensor LiDAR APD

À medida que os sistemas LiDAR ganharem aceitação em veículos autônomos, será essencial entender o impacto da temperatura sobre os sensores. Esses sensores devem funcionar com precisão e confiabilidade em uma grande variedade de condições ambientais. Normalmente, a faixa da temperatura de operação automotiva "grau 1" de -40 °C a 125 °C é necessária. Essa faixa de temperatura é necessária para a funcionalidade, levando-se em consideração posições expostas ao sol para o sensor, autoaquecimento dos componentes eletrônicos dentro do sensor e várias condições ambientais em todo o mundo.

O fotodiodo de avalanche (APDs – Avalanche Photodiode Detectors) é uma tecnologia de sensor conhecida que está sendo rapidamente incorporada em sistemas LiDAR. Este relatório fornece informações sobre propriedades APD típicas para uma faixa de -40 °C a 125 °C.

Para usar sensores APD nessa faixa de temperatura, é importante entender a dependência dos seguintes parâmetros: 

• Tensão de ruptura (Vbr) 
• Corrente escura (Id)
• Ganho (M)
• Responsividade espectral (S)
• Comportamento dinâmico (tempo de aumento)
• Capacitância (C)

Os sensores APD fabricados em uma tecnologia de silício em comum têm um comportamento muito dependente da temperatura. Com base na física de materiais semicondutores, essas dependências têm propriedades físicas diferentes.

Nesta visão geral, descrevemos três efeitos:

• Geração de pares de buraco de elétron intrínseca
• Caminho livre médio de elétrons no volume de multiplicação
• Probabilidade de pares de buraco de elétron gerados de maneira óptica

Com o aumento da temperatura, mais elétrons são excitados da banda de valência para a banda de condução, o que aumenta o fluxo de corrente reversa em um sensor APD. Essa corrente reversa é igual à corrente escura do APD, quando nenhuma luz gera elétrons adicionais.

O caminho livre médio dos elétrons em movimento no volume de multiplicação de um DPA depende muito da temperatura. Quanto mais alta for a temperatura, mais curto será o caminho livre médio causado por núcleos atômicos em movimento mais rápido no material semicondutor do APD. O caminho livre médio mais curto diminui a probabilidade de atingir a energia de ionização de impacto, o que acarreta um ganho menor em um viés fixo. O mesmo mecanismo aumenta a tensão de ruptura também com o aumento da temperatura.

Núcleos atômicos em movimento mais rápido dentro do material semicondutor APD aumentam a probabilidade de fótons colidirem com átomos e gerarem pares de buraco de elétron. Essa probabilidade depende diretamente da eficiência quântica  e, assim, da responsividade espectral para uma espessura de camada intrínseca fixa. Para fótons, que não são completamente absorvidos na área ativa do APD, a responsividade espectral aumenta com temperaturas mais altas.

O primeiro efeito físico mencionado na visão geral tem um impacto significativo sobre a corrente escura. Quanto mais alta for a temperatura, maior será a geração do par de buracos de elétron intrínsecos. A corrente escura aumenta com temperaturas mais altas. Na figura 1, a corrente escura para uma temperatura de -40 °C, 25 °C, 85 °C e 125 °C é mostrada para o APD AD500-9. O segundo efeito físico desloca o Vbr da tensão de ruptura para tensões mais altas. Para -40 °C, o Vbr se aproxima de 95 V e aumenta para 322 V a uma temperatura de 125 °C. A mudança da tensão de ruptura é uma função linear simples. O coeficiente de temperatura de acordo é de aproximadamente 1,4 V/K. A Tabela 1 mostra a dependência da temperatura de Vbr. As características de tensão da corrente escura para uma temperatura de -40 °C para baixas tensões são determinadas pelo mínimo de ruído de nossa configuração de medição conforme marcado com um retângulo cinza na figura 1.

O ganho do sensor AD500-9 para diferentes temperaturas é mostrado na figura 2. O mesmo efeito, que desloca o Vbr para tensões mais altas, também desloca o ganho ideal para pontos de operação mais altos. O caminho livre médio dos elétrons diminui com temperaturas mais altas. Esse efeito diminui o ganho para uma tensão fixa. Pontos operacionais mais altos são necessários para alcançar um determinado ganho. A curva de ganho é mais íngreme para temperaturas mais baixas. Nesse caso, o caminho livre médio dos elétrons é tão alto que tensões mais baixas oferecem aceleração suficiente para atingir a energia da ionização de impacto. O ganho aumenta mais rapidamente para tensões crescentes.

A responsividade espectral aumenta um pouco com a temperatura mais alta. Isso é causado por uma probabilidade maior de geração dos pares de buracos de elétrons caso nem toda a potência óptica seja absorvida pelo material semicondutor. A Figura 3 mostra a tendência da responsividade espectral em relação à responsividade para 25 °C. Mostra-se que a responsividade cresce com o aumento da temperatura.

A curva de capacitância fornece informações sobre a capacitância para tensões diferentes. Trata-se de um parâmetro importante para o dimensionamento de circuitos receptores e tem grande influência sobre o comportamento dinâmico do sensor APD. A Figura 4 mostra tendências de capacitância para um sensor APD AD500-9, aferida com um medidor LCR.

A frequência de medição é de 1 MHz com uma amplitude de 15 mV. Foi possível explicar o comportamento mostrado na Figura 4 com a ajuda de um capacitor de placa. A espessura da zona esgotada representa a espessura do capacitor de placa. A tensão aumenta a região de esgotamento. Por isso, uma tendência decrescente na figura 4 é mostrada com uma alta aceleração a 45 V, na qual o volume de multiplicação é totalmente esgotado.

Com um APD totalmente esgotado, a espessura do capacitor de placa não muda com uma tensão de 50 V ou mais. As curvas foram medidas para temperaturas diferentes. Acima de 50 V, a capacitância não muda com a temperatura. Isso dificilmente é causado por uma APD totalmente esgotado, que independe da temperatura. Abaixo de 50 V, a tendência da curva de capacitância para temperaturas mais altas é menor do que para as curvas de capacitância com temperaturas mais baixas, mas isso pode ser uma limitação da configuração da medição e não precisa ser físico.

Os parâmetros de medição (frequência e amplitude) do LCR são otimizados para baixa capacitância. Por isso, os dados acima de tensões de 45 V são mais precisos do que para tensões abaixo de 45 V. A Tabela 3 mostra a capacitância para um ganho de 20. A tensão de ruptura do sensor AD500-9 nessa medição é menor do que para o APD de outras medições. A Figura 4 mostra que a capacitância acima de 50 V se aproxima de 1 pF e não muda significativamente para temperaturas ou tensões de operação mais altas

Para sistemas LiDAR, os tempos de aumento dos pulsos APD são parâmetros fundamentais para o desempenho. Por isso, a investigação da dependência desses parâmetros em relação à tensão e à temperatura de operação é necessária. A Figura 5 mostra o tempo de aumento em comparação com a tensão para temperaturas diferentes. O tempo de aumento é determinado medindo-se com um osciloscópio a resposta mediante excitação com pulsos ópticos ultrarrápidos. A medição foi feita com um impedância de entrada de 50 Ω. A Figura 5 mostra que, para temperaturas mais altas, uma tensão de operação mais alta é necessária para atingir o mesmo tempo de aumento. Isso causa uma diminuição da velocidade de derivação da saturação para temperaturas mais altas
.
Os resultados apresentados na Figura 5 mostram que temperaturas mais baixas melhoram o comportamento dinâmico. No entanto, para muitas aplicações , um ganho fixo de um sensor APD é importante. A Figura 2 mostra as curvas de ganho para temperaturas diferentes. Conforme mencionado anteriormente, temperaturas mais baixas causam curvas de ganho mais rápidas. Isso significa que o ganho é muito alto, mesmo para baixas tensões.

O caminho livre médio dos elétrons no volume de multiplicação é grande e, por isso, a velocidade de derivação da saturação é alta. No entanto, o campo elétrico não é alto o suficiente para compensar o efeito positivo da maior velocidade de derivação da saturação. A Figura 6 mostra o tempo de aumento em comparação com o ganho. Para um certo ganho, uma temperatura mais alta acarreta um tempo de aumento mais curto. Isso é causado por um campo elétrico mais forte no sensor APD para o mesmo ganho, mas a temperaturas mais altas.

A Figura 6 mostra a influência da temperatura sobre o comportamento dinâmico para multiplicação fixa e sob simulação de luz ambiente contínua. Mais uma vez, é possível observar que temperaturas mais altas exigem mais viés de operação para um determinado ganho, o que causa respostas mais rápidas. Além disso, é possível ver que uma iluminação ambiente mais forte não reduz o tempo de resposta ou causa saturação. No entanto, por causa dos efeitos de autoaquecimento da fotocorrente CW a -40 °C, os vieses de operação são um pouco mais altos e, assim, os DPAs parecem mais rápidos sob densidades de iluminação mais altas. 

A Figura 7 mostra a corrente fotográfica para níveis diferentes de iluminação CW de 905 nm para temperaturas diferentes para uma faixa de entrada típica de um TIA. A faixa dinâmica não é afetada pela temperatura de operação entre -40 °C e 125 °C.

Jona Kurpiers, Ph.D., TE Connectivity