Single Photon Avalanche Dioden

Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (SPAD) sind Festkörper-Photodetektoren und gehören zur gleichen Familie wie Photodioden und Avalanche-Photodioden (APD), benötigen jedoch kein Vakuum. Während APDs ihre Stärken in der unverzerrten Verstärkung von optischen Signalen mit geringer Intensität zeigen, ähnelt das Verhalten von SPADs eher dem grundlegenden Verhalten von Dioden. SPADs ermöglichen die direkte Zählung von Impulsen und liefern somit einen Hinweis auf die optische Intensität des Eingangssignals, während die Impulse gleichzeitig Zeitgeberkreise auslösen können, um präzise Messungen der Ankunftszeit zu ermöglichen.

Diese Sensoren werden insbesondere in der Time of Flight-3D-Bildgebung, der LIDAR-Technologie, der PET-Tomographie, der TCSPC, der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie und der optischen Kommunikation, insbesondere in beim Quantenschlüsselaustausch, eingesetzt. SPADs sind besonders nützlich für die Einzelphotonen-Detektion, z. B. kann mit SPAD-Arrays ein vollständiges FLIM-Bild aufgenommen werden, da selbst einzelne Photonen ein klares Ausgangssignal erzeugen, das detektiert werden kann. SPADs haben eine geringe Totzeit (weniger als 1 ns) und damit eine hohe Zählrate bei einer Verzögerungsstreuung, die mit MCPs vergleichbar ist. Ein charakteristisches Merkmal von SPADs ist ihr Dunkelrauschen. Da das Dunkelrauschen mit der Fläche zunimmt, ist dieser Effekt ein wichtiges Kriterium bei der Vergrößerung der lichtempfindlichen Fläche in SPADs.

Der Name Geiger-Mode-Avalanche-Photodiode (GmAPD) bezieht sich darauf, dass die Diode leicht über der Durchbruchschwellen-Spannung betrieben wird. Dies führt dazu, dass bereits ein einzelnes Elektron-Loch-Paar (entstanden durch Absorption eines Photons oder durch eine thermische Fluktuation) eine starke Lawine auslösen kann.

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