دیود بهمنی تک‌فوتونی
مقایسه با ای‌پی‌دی‌ها

در حالی که هر دو ای‌پی‌دی و اس‌پی‌ای‌دی اتصالات p-n نیم‌رسانا هستند که به شدت بایاس معکوس هستند، تفاوت اصلی در خصوصیات آنها از نقاط مختلف هدایت آنها بر اساس ویژگی I-V معکوس، یعنی ولتاژ معکوس اعمال شده به محل اتصال آنها است. یک ای‌پی‌دی، در مقایسه با اس‌پی‌ای‌دی، بالاتر از ولتاژ شکست آن نیست. دلیل این امر این است که ضرب حامل‌های شارژ مشخص شده‌است که قبل از خرابی دستگاه با این استفاده برای دستیابی به یک افزایش پایدار که با ولتاژ اعمال شده متفاوت است، اتفاق می‌افتد. برای کاربردهای تشخیص نوری، بهمن و جریان بعدی در مدار انحرافی آن به صورت خطی به شدت سیگنال نوری مربوط می‌شود. از این رو ای‌پی‌دی برای دستیابی به تقویت متوسط جلو سیگنالهای نوری با شدت کم مفید است اما اغلب با یک تقویت کننده ترانس امپدانس (TIA) ترکیب می‌شود زیرا خروجی ای‌پی‌دی یک جریان است تا ولتاژ یک تقویت کننده معمولی. سیگنال حاصل یک نسخه غیر تحریف شده و تقویت شده از ورودی است که امکان اندازه‌گیری فرایندهای پیچیده‌ای را فراهم می‌کند که دامنه نور حادثه را تعدیل می‌کنند. فاکتورهای داخلی ضرب داخلی برای ای‌پی‌دی‌ها با توجه به کاربرد آنها متفاوت است، اما مقادیر معمولی از چند صدها مرتبه است. بهمن حامل‌ها در این ناحیه کاری واگرا نیستند، در حالی که بهمن موجود در اس‌پی‌ای‌دی‌ها به سرعت در شرایط فراری (واگرا) قرار می‌گیرد.
در مقایسه، اس‌پی‌ای‌دی‌ها با ولتاژ بایاس بالاتر از ولتاژ شکست کار می‌کنند. این یک رژیم فوق‌العاده خراب بسیار ناپایدار است به طوری که یک فوتون یا یک الکترون جریان تاریک منفرد می‌تواند بهمن حامل‌های قابل توجهی را تحریک کند. اتصال p-n نیم‌رسانا کاملاً خراب می‌شود و جریان قابل توجهی ایجاد می‌شود. یک فوتون می‌تواند قله جریان معادل میلیاردها میلیارد الکترون در ثانیه را تحریک کند (این امر به اندازه فیزیکی دستگاه و ولتاژ بایاس آن بستگی دارد). این اجازه می‌دهد تا مدارهای الکترونیکی بعدی به راحتی چنین وقایع ماشه ای را شمارش کنند. از آنجا که دستگاه یک رویداد ماشه تولید می‌کند، مفهوم بهره کاملاً سازگار نیست. با این حال، از آنجا که راندمان تشخیص فوتون (PDE) اس‌پی‌ای‌دی‌ها با ولتاژ بایاس معکوس متفاوت است، سود، به معنای کلی مفهومی می‌تواند برای تشخیص دستگاه‌هایی که به شدت مغرض هستند و بنابراین در مقایسه با کمی حساس هستند، مورد استفاده قرار گیرد. مغرضانه و در نتیجه از حساسیت کمتری برخوردار است. در حالی که ای‌پی‌دی‌ها می‌توانند سیگنال ورودی را با حفظ هرگونه تغییر در دامنه تقویت کنند، اس‌پی‌ای‌دی‌ها سیگنال را به مجموعه ای از حوادث ماشه یا پالس تحریف می‌کنند. خروجی هنوز می‌تواند متناسب با شدت سیگنال ورودی باشد، اما اکنون به فرکانس حوادث ماشه، یعنی مدولاسیون فرکانس پالس (PFM) تبدیل می‌شود. پالس‌ها را می‌توان شمرد که نشانه ای از شدت نوری سیگنال ورودی است، در حالی که پالس‌ها می‌توانند مدارهای زمان‌بندی را ایجاد کنند تا اندازه‌گیری دقیق زمان رسیدن را انجام دهند.
یک مسئله اساسی که در ای‌پی‌دی وجود دارد نویز ضرب ناشی از تغییر آماری فرایند ضرب بهمن است. این منجر به یک عامل نویز مربوطه در جریان عکس تقویت شده خروجی می‌شود. تنوع آماری بهمن در دستگاه‌های اس‌پی‌ای‌دی نیز وجود دارد، اما به دلیل فرار فرار، اغلب به عنوان زمان لرزش در رویداد تشخیص آشکار می‌شود.
در کنار ناحیه بایاس آنها، تفاوت‌های ساختاری نیز بین ای‌پی‌دی‌ها و اس‌پی‌ای‌دی‌ها وجود دارد که عمدتاً به دلیل افزایش ولتاژ بایاس معکوس مورد نیاز و نیاز به یک اس‌پی‌ای‌دیs طولانی‌تر از سکون بین حوادث محرک صدا برای متناسب بودن سیگنال‌های سطح تک فوتون است. اندازه‌گیری شود.
تاریخچه و توسعه اس‌پی‌ای‌دی‌ها و ای‌پی‌دی‌ها با توسعه فن آوری‌های حالت جامد مانند دیودها و ترانزیستورهای اتصال p-n اولیه (به ویژه تلاش‌های جنگی در آزمایشگاه‌های بل)، چندین نکته مهم را در اختیار دارند. جان تاونسند در سال ۱۹۰۱ و ۱۹۰۳ با یونیزاسیون گازهای کمیاب در لوله‌های خلأ تحقیق کرد و دریافت که با افزایش پتانسیل الکتریکی، اتمها و مولکولهای گازی می‌توانند توسط انرژی جنبشی الکترونهای آزاد با سرعت بخشیدن به میدان الکتریکی یونیزه شوند. الکترونهای آزادشده جدید پس از آنکه خود میدان شتاب گرفتند، با تولید انرژی یونیزاسیون جدید، انرژی پویایی آنها به حد کافی رسید. این نظریه بعداً در ایجاد تیراترون و لوله گایگر-مولر نقش اساسی داشت. تخلیه Townsend همچنین به عنوان یک تئوری پایه برای پدیده‌های ضرب الکترون، (هم DC و هم AC)، هم در سیلیکون و هم در ژرمانیم نقش مهمی داشت.[نیازمند منبع]
با این حال، پیشرفت‌های عمده در کشف اولیه و استفاده از مکانیسم افزایش بهمن، محصولی از مطالعه تجزیه زنر، مکانیزم‌های مربوط به شکست (بهمن) و نقص ساختاری در دستگاه‌های اتصال ترانزیستور سیلیکون و ژرمانیوم اولیه و اتصالات p – n بود. این نقص‌ها " میکروپلاسما " نامیده می‌شوند و در تاریخچه ای‌پی‌دی‌ها و اس‌پی‌ای‌دی‌ها حیاتی هستند. به همین ترتیب بررسی خصوصیات تشخیص نور اتصالات p – n بسیار مهم است، به ویژه یافته‌های اوایل دهه ۱۹۴۰ راسل اول. تشخیص نور در نیم‌رسانا جامد و مواد فله از طریق اثر فوتوالکتریک داخلی قدیمی تر با فاستر نیکس (Nix) است اشاره به کار Gudden و پل در 1920s،[نیازمند منبع] که از عبارت اولیه و ثانویه برای تشخیص تأثیرات فوتوالکتریک داخلی و خارجی استفاده می‌کنند. در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰، تلاش قابل توجهی برای کاهش تعداد تجزیه میکروپلاسما و منابع سر و صدا، با ساخت میکروپلاسماهای مصنوعی برای مطالعه انجام شد. روشن شد که مکانیسم بهمن می‌تواند برای تقویت سیگنال درون دیود مفید باشد، زیرا از ذرات نور و آلفا برای مطالعه این دستگاه‌ها و مکانیزم‌های تجزیه استفاده شد.[نیازمند منبع]
در اوایل سال ۲۰۰۰، اس‌پی‌ای‌دی‌ها در فرایندهای سیماس اجرا شده‌اند. این امر عملکرد آنها (افزایش میزان شمارش تاریک، jitter، پیکسل آرایه و غیره) را کاملاً افزایش داده و از مدارهای آنالوگ و دیجیتال قابل استفاده در کنار این دستگاه‌ها بهره گرفته‌است. مدارهای قابل توجه شامل شمارش فوتون با استفاده از شمارنده‌های سریع دیجیتال، زمان فوتون با استفاده از مبدل‌های زمان به دیجیتال (TDC) و مبدل‌های زمان به آنالوگ (TAC)، مدارهای خاموش کننده منفعل با استفاده از ترانزیستورهای اِن‌ماس یا PMOS به جای مقاومت‌های پلی سیلیکون هستند، مدارهای خاموش کردن و تنظیم مجدد فعال برای نرخ شمارش بالا و بسیاری از بلوک‌های پردازش سیگنال دیجیتال روی تراشه. چنین دستگاه‌هایی که اکنون به فاکتورهای پر کردن نوری> ۷۰٪، با> ۱۰۲۴ اس‌پی‌ای‌دی، با DCRهای <۱۰ هرتز و مقادیر jitter در ناحیه 50ps رسیده‌اند، اکنون با زمانهای مرده ۱–۲ نانو ثانیه در دسترس هستند.[نیازمند منبع] دستگاه‌های اخیر دارای فناوری‌های 3D-IC منحصر به فرد مانند از طریق سیلیکون-ویاس (TSV) هستند تا یک لایه سیماس بالای بهینه‌سازی اس‌پی‌ای‌دی با فاکتور پر (با گره 90nm یا 65nm) با پردازش سیگنال اختصاصی و لایه سیماس بازخوانی ارائه دهند (گره ۴۵ نانومتری). پیشرفت‌های قابل توجهی در اصطلاحات نویز برای اس‌پی‌ای‌دی‌ها توسط ابزارهای مدل‌سازی فرایند سیلیکون مانند TCAD بدست آمده‌است، جایی که حلقه‌های محافظ، عمق محل اتصال و ساختارها و اشکال دستگاه را می‌توان قبل از اعتبار سنجی توسط ساختارهای آزمایشی اس‌پی‌ای‌دی بهینه کرد.
شکل ۱ - سطح مقطع نازک اس‌پی‌ای‌دی.
مشخصه ولتاژ جریان اس‌پی‌ای‌دی که شاخه خاموش و روشن را نشان می‌دهد