Çığ fotodiyot sürme devresinin gerçekleştirilmesi
Implementation of avalanche photodiode (APD) bias circuit
Yazar: MUHAMMED ÇAVUŞOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektronikte ışığı elektriksel sinyale dönüştürmede fotodiyotlar kullanılır. Fotodiyotların; PN (P-type N-type), PIN (P-type, Intrinsic, N-type) ve Çığ fotodiyot (APD) olmak üzere üç temel türü vardır. Çok düşük ışık miktarının algılanması gereken uygulamalarda kullanılan elektronik yükseltme devrelerinde, kazancı artırmak adına çok yüksek direnç değerleri kullanılır. Kullanılan yüksek direnç nedeniyle çıkış sinyalinde gürültü oranı artar. Bu durumun önüne geçebilmek için iç kazancı çok daha yüksek olan APD kullanılır.
APD'ler ticari, askeri ve araştırma alanlarında sıklıkla kullanılmaktadır. Son zamanlarda başlıca kullanım alanı optik haberleşme olmuştur. Hem fiber optik hem de serbest uzay (free-space) haberleşmede hassasiyetleri ve yüksek iç kazançlarından dolayı tercih edilmektedir. Diğer kullanım alanlarının başında DNA dizileme, tıbbi görüntüleme ve optik mesafe ölçümü gelmektedir.
APD'lerden yüksek akım kazancı elde edilebilmesi için çığ bölgesinde çalıştırılması gerekir. Buda APD uçlarına ters bias gerilimi uygulanması ile mümkündür. Bu gerilim değeri üreticisine ve yarı iletken yapısına bağlı olarak 40V ila 350V arasında değişmektedir. APD'lerin iç kazançları sıcaklıkla değişmektedir. Kazancın sabit tutulması için APD ters bias geriliminin sıcaklık değişimini izleyip kompanze edecek şekilde değişmesi gerekmektedir.
APD'ler lineer modda çalıştırıldıklarında, trans empedans yükselteçler (TIA) ve sinyal yükseltici işlemsel yükselteçler ile kullanılmaktadır. APD uygulamalarında devre içerisindeki farklı gerilim seviyeleri sebebiyle birtakım zorluklar ortaya çıkmaktadır. TIA'lar ve işlemsel yükselteçler 1.8V- 5V aralığında beslenirken APD'ler üreticisine bağlı olarak 40V-350V aralığında gerilime ihtiyaç duymaktadırlar. Bu yüksek gerilim değerlerini dışardan bir kaynaktan vermek yerine, devre içerisinde yükseltici dönüştürücüler kullanarak sağlamak devre karmaşıklığını azaltmaktadır. Literatürde sıkça uygulanan yöntem; düşük giriş gerilimini, anahtarlı kapasite (switched capacitor) ile daha yüksek gerilim seviyelerine çıkarıp daha sonra yükseltici dönüştürücü ile istenilen bias gerilimi seviyesine ulaştırmaktır. Bu tez kapsamında giriş gerilimi ve APD yardımcı devre elamanlarının besleme gerilimi 5V olarak belirlenmiştir. Ayrıca, APD ters diyot akımı maksimum 100μA ve ters bias gerilim belseme aralığı 120V-160V olan Excelitas, "C30737LH-500-80A" APD kullanılmıştır. Gereken ters bias gerilimi, 5V-160V yükseltici dönüştürücü ile sağlanmıştır.

Abstract:
Avalanche photodiodes (APDs) are used in many applications such as optical communications, laser range finder, DNA sequencing and medical imaging etc. Applying a variable reverse-bias voltage across the device junction creates a variable avalanche gain during APD operation. APDs require high reverse-bias voltages in the 40V to 350V range, these values vary with the manufacturing process. A downside of the APD is that avalanche gain depends on temperature. The APD must operate at constant gain, the high-voltage bias must vary to compensate for the effects of the temperature. 
When APDs are operated in linear mode as operation mode, are used with Transimpedance Amplifier (TIA) and Operational Amplifiers (OP-AMP). In APD application some difficulties arise due to different voltage levels on the circuit. While TIAs and OP-AMPs are supplied in the range of 1.8V-5V, APDs require voltage in the range of 40V-350V depending on the manufacturer. Instead of providing such a high voltage from an external source, providing with the boost converter in the circuit board reduces circuit complexity. 
In this thesis, input voltage is determined as 5V. For supplying proper bias voltage to APD, conventional boost converter is used. Excelitas C30737LH-500-80A APD which has 120V-160V breaking voltage and 100μA reverse current is selected.