Lidar-Systeme (Light Detection and Ranging) sind aus Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken. Sie bilden das Herzstück von Fahrerassistenz-Systemen wie Abstandsregelautomaten (Adaptive Cruise Control, ACC), Spurwechselassistenten und Kollisionswarnsystemen. Daher spielen Lidar-Komponenten auch beim autonomen Fahren eine zentrale Rolle. Ein Vorteil im Vergleich zu Systemen, die Radar und Kameras verwenden, ist die höhere Winkel- und Abstandsauflösung. Daher sind entsprechende Sensor-Systeme nicht nur in der Lage, andere Verkehrssteilnehmer wie Fahrzeuge, Fußgänger und Radfahrer zu erkennen. Sie erfassen auch Verkehrseinrichtungen, beispielsweise Verkehrszeichen, Fahrbahnmarkierungen und Schranken.

Eckdaten

Im Fahrzeug gelten andere Regeln als in der Industrie, gerade bei den Temperaturbereichen. -40 °C bis +125 °C gelten als Standard und solche Temperaturen können sich auf die Elektronik auswirken. Avalanche-Photo-Dioden basieren auf Silizium und reagieren deshalb auf Temperaturveränderungen. Die Auswirkungen auf Durchbruchspannung, Dunkelstrom, Gain, spektrale Empfindlichkeit und Kapazität hat First Sensor anhand von Tests ermittelt und stellt sie im Artikel vor.

Allerdings müssen Lidar-Sensoren „hart im Nehmen“ sein, das heißt, dass sie auch bei extremen Umwelteinflüssen zuverlässig funktionierten. Eine zentrale Anforderung ist eine hohe Resistenz gegenüber Temperaturschwankungen, denn die Spezifikation AEC-Q102 Grade 1 des Automotive Electronic Council verlangt, dass ein Sensor in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C fehlerlos arbeitet. Dies ist zum einen notwendig, damit ein Lidar-System in Fahrzeugmodellen funktioniert, die in unterschiedlichen Temperaturzonen zum Einsatz kommen – von Wüstenregionen bis hin zu Ländern mit eisigen Temperaturen. Zum anderen muss ein Lidar-System die Abwärme verkraften können, die andere Systemkomponenten im Fahrzeug erzeugen.

Avalanche-Photo-Dioden (APD)

Bild 1: Der Dunkelstrom einer APD nimmt bei höheren Temperaturen zu.

Bild 1: Der Dunkelstrom einer APD nimmt bei höheren Temperaturen zu. First Sensor

In einem Großteil der Lidar-Systeme kommen Sensoren auf Basis der Avalanche-Photo-Dioden-Technologie zum Einsatz. Bei diesem Ansatz erzeugen Photonen Elektronen-Loch-Paare, die dann mithilfe der angelegten äußeren Spannung so beschleunigt werden, dass dank Stoßionisation weitere Elektronen ins Leitungsband gehoben werden. Diese sekundär erzeugten Elektronen können wiederum genügend Energie aufnehmen, um zusätzliche Elektronen ins Leitungsband zu transportieren. So lässt sich ein Verstärkungsfaktor (Gain) von einigen Hundert erreichen.

Sollen APD-Sensoren im Bereich -40 °C bis +125 °C zum Einsatz kommen, ist es notwendig, den Einfluss der Temperatur auf folgende Parameter zu prüfen:

  • die Durchbruchspannung (Vbr)
  • den Dunkelstrom (Id)
  • den Gain / Verstärkungsfaktor (M)
  • die spektrale Empfindlichkeit (S)
  • das Dynamikverhalten (Anstiegszeit)
  • die Kapazität (C)

Drei physikalische Effekte

Bild 2: Die Entwicklung des Verstärkungsfaktors im Verhältnis zur Temperatur.

Bild 2: Die Entwicklung des Verstärkungsfaktors im Verhältnis zur Temperatur. First Sensor

APD-Sensoren basieren auf Silizium und reagieren daher in starkem Maß auf Temperaturänderungen. Dabei treten drei physikalische Effekte auf. Der erste betrifft das Erzeugen der Elektronen-Loch-Paare. Steigt die Temperatur, wechseln mehr Elektronen vom Valenz- in das Leitungsband. Das erhöht den Sperrstrom im Sensor, der dem Dunkelstrom der APD entspricht, wenn kein Licht auf den Sensor fällt und somit auch keine weiteren Elektronen generiert werden.

Mittlere freie Weglänge im Multiplikationsvolumen

Der zweite Effekt betrifft die mittlere freie Weglänge der Elektronen im Multiplikationsvolumen. Diese hängt maßgeblich von der Temperatur ab, denn je höher die Temperatur, desto kürzer ist die mittlere freie Weglänge. Der Grund dafür sind freie Ladungsträger im Halbleitermaterial, die bei höheren Temperaturen schneller mit dem Kristallgitter zusammenstoßen. Eine kürzere Weglänge reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass die erforderliche Ionisierungsenergie erreicht wird. Die Folge ist eine geringere Verstärkung M bei einer vorgegebenen Vorspannung. Eine weitere Konsequenz einer verkürzten mittleren freien Weglänge ist, dass die Durchbruchspannung zunimmt.

Bild 3: Die spektrale Empfindlichkeit einer APD nimmt bei höheren Temperaturen leicht zu.

Bild 3: Die spektrale Empfindlichkeit einer APD nimmt bei höheren Temperaturen leicht zu. First Sensor

Wenn sich die Gitteratome dank steigender Temperaturen schneller bewegen, steigt außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen absorbiert werden und dadurch Elektronen-Loch-Paare entstehen. Dies ist der dritte physikalische Effekt. Die höhere Absorption wirkt sich direkt auf die Quanteneffizienz aus – und dadurch auf die spektrale Empfindlichkeit bei einer fixierten Dicke der intrinsischen Schicht. Bei Photonen, die nicht komplett vom aktiven Bereich der APD absorbiert werden, steigt außerdem bei höheren Temperaturen die spektrale Empfindlichkeit.

Messungen im Detail

Welche Effekte die Temperatur im Detail auf Lidar-Systeme mit Avalanche-Photo-Dioden hat, ermittelte First Sensor mithilfe eines Sensors der Reihe AD500-9. Die Durchbruchspannung dieses Sensors beträgt 191 V. Der erste physikalische Effekt, die Zunahme von Elektronen-Loch-Paaren bei höheren Temperaturen, führt dazu, dass der Dunkelstrom steigt (Bild 1). Bei -40 °C liegt er bei 3,68E-12 A, bei +125 °C dagegen bei 7,87E-7 A. Ein vergleichbarer Effekt zeigt sich bei der Durchbruchspannung Vbr: Bei -40 °C beträgt sie 95 V, beim spezifizierten Höchstwert von +125 °C dagegen bei 322 V. Damit ist ein nahezu linearer Anstieg des Werts mit Zunahme der Temperatur zu beobachten. Der dazu gehörige Temperatur-Koeffizient liegt bei annähernd 1,4 V/K.

Bild 4: Die Kapazität eines APD-Sensors in Bezug auf die Spannung bei unterschiedlichen Temperaturen.

Bild 4: Die Kapazität eines APD-Sensors in Bezug auf die Spannung bei unterschiedlichen Temperaturen. First Sensor

Derselbe Effekt, der für höhere Vbr-Werte verantwortlich ist, führt dazu, dass eine optimale Verstärkung bei höheren Betriebsspannungen erfolgt. Der Grund ist, dass sich die mittlere freie Weglänge der Elektronen verringert, wenn die Temperatur zunimmt. Das wiederum reduziert den Verstärkungsfaktor bei einem gegebenen Spannungswert. Kompensieren lässt sich dies mithilfe einer höheren Betriebsspannung. Die Messungen haben zudem ergeben, dass der Anstieg der Kurve mit den Gain-Werten bei niedrigeren Temperaturen steiler ausfällt (Bild 2). In diesem Fall ist die durchschnittliche freie Weglänge der Elektronen so groß, dass auch bei geringeren Spannungswerten eine ausreichende Beschleunigung erfolgt, um die erforderliche Ionisierungsenergie zu erzeugen.

Spektrale Empfindlichkeit und Kapazität

Die spektrale Empfindlichkeit einer APD nimmt bei höheren Temperaturen leicht zu. Denn die Wahrscheinlichkeit, dass sich Elektronen-Loch-Paare bilden, steigt, wenn das Halbleitermaterial nicht die gesamte optische Energie absorbiert (Bild 3). Zu beachten ist außerdem, wie sich bei unterschiedlichen Spannungswerten die Kapazität der APD entwickelt. Dieser Wert gibt Aufschluss darüber, wie die Empfänger eines APD-Sensors zu dimensionieren sind.

Bild 5: Höhere Temperaturwerte wirken sich bei APD-Lidar-Sensoren positiv auf das dynamische Verhalten aus.

Bild 5: Höhere Temperaturwerte wirken sich bei APD-Lidar-Sensoren positiv auf das dynamische Verhalten aus. First Sensor

Bild 4 zeigt, wie sich die Kapazität bei -40 °C bis +125 °C verändert. Ermitteln konnte First Sensor die Ergebnisse mit einem LCR-Meter bei einer Frequenz von 1 MHz und einer Amplitude von 15 mV. Die Resultate lassen sich vereinfacht anhand eines Plattenkondensators erläutern. Der Durchmesser der verarmten Zone entspricht dem des Kondensators und die Dicke dieser Zone dem Plattenabstand. Mit wachsender Spannung vergrößert sich diese Zone. Aus diesem Grund kommt es zu einem starken Abfall der Kapazität. Dieser Effekt tritt speziell bei einer Spannung von 45 V auf, wenn das Multiplikationsvolumen komplett verarmt ist. Die Kapazität ist kaum von der Temperatur abhängig.

Abweichungen bei niedrigen Spannungen sind möglicherweise auf Limitierungen des Messaufbaus zurückzuführen, nicht auf physikalische Faktoren. Der Grund ist, dass die Mess-Parameter (Frequenz und Amplitude) des LCR-Meters für niedrige Kapazitäten optimiert sind. Daher sind die Messwerte bei Spannungen über 45 V exakter als bei niedrigeren Spannungen.

Anstiegszeiten und Dynamikbereich

Die Performance von Lidar-Systemen hängt maßgeblich von den Anstiegszeiten der APD-Pulsantworten ab. Deshalb ist es hilfreich, die Abhängigkeit dieses Parameters von der Betriebsspannung und Temperatur zu prüfen (Bild 5). Die Anstiegszeit ermittelte im Rahmen der Tests ein Oszilloskop, nachdem die Diode mit ultrakurzen optischen Signalen angeregt wurde. Die Eingangsimpedanz betrug 50 Ohm. Die Mess-Resultate belegen, dass bei einer Zunahme der Temperatur eine höhere Betriebsspannung nötig ist, um dieselbe Gain zu erreichen. Das wiederum führt zu einer höheren Driftgeschwindigkeit und damit zu schnelleren Anstiegszeiten. Dagegen ist im unteren Temperaturbereich ein langsameres dynamisches Verhalten einer APD in Kauf zu nehmen.

Bild 7: Der Dynamikbereich eines APD-Sensors von First Sensor wird bei Betriebstemperaturen von -40°C bis +125°C nicht beeinträchtigt.

Bild 7: Der Dynamikbereich eines APD-Sensors von First Sensor wird bei Betriebstemperaturen von -40°C bis +125°C nicht beeinträchtigt. First Sensor

Viele Anwendungen erfordern bei einem APD-Sensor einen bestimmten Verstärkungsfaktor (Gain). Auch in diesem Fall wirkt sich eine niedrige Umgebungstemperatur positiv aus. Selbst bei einer niedrigen Spannung lassen sich hohe Gain-Werte erzielen. Die mittlere freie Weglänge der Elektronen im Multiplikationsvolumen ist hoch, und damit auch die Sättigungs-Driftgeschwindigkeit. Dennoch ist das elektrische Feld nicht stark genug, um die positiven Effekte einer höheren Sättigungs-Driftgeschwindigkeit zu kompensieren. Wie Bild 6 zeigt, hat eine höhere Temperatur bei einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor geringere Anstiegszeiten zur Folge. Der Grund ist das stärkere elektrische Feld im APD-Sensor, das sich bei selbem Gain-Faktor, aber einer höheren Temperatur bildet.

Verhalten bei konstantem Umgebungslicht

Ein Teil der Messungen des Dynamikverhaltens wurde bei einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor und konstantem Umgebungslicht durchgeführt. Auch in diesem Fall zeigte sich, dass bei Zunahme der Umgebungstemperatur eine erhöhte Vorspannung erforderlich ist. Nur dann lässt sich ein bestimmter Verstärkungswert erzielen, der wiederum die Anstiegszeiten reduziert.

Fazit

Tabelle 1: Der Dunkelstrom und die Durchbruchspannung bei T = -40 °C bis 125 °C.

Tabelle 1: Der Dunkelstrom und die Durchbruchspannung bei T = -40 °C bis 125 °C. First Sensor

Tabelle 2: Die Betriebsspannung bei einem Gain-Wert von M = 100 und diversen Temperaturwerten.

Tabelle 2: Die Betriebsspannung bei einem Gain-Wert von M = 100 und diversen Temperaturwerten. First Sensor

Tabelle 3: Die Entwicklung der Kapazität bei M = 100 und unterschiedlichen Temperaturen.

Tabelle 3: Die Entwicklung der Kapazität bei M = 100 und unterschiedlichen Temperaturen. First Sensor

Die Testreihe belegt, welch wichtige Rolle die temperaturabhängigen Parameter eines APD-Sensors spielen. Hersteller von Lidar-Systemen sollten diesen Faktoren berücksichtigen, wenn sie entsprechende Sensoren und die dabei verwendeten Avalanche-Photodioden auswählen. First Sensor optimierte die APDs für einen Wellenlängenbereich um 905 nm. Weiterhin erfüllen sie die Vorgaben AEC-Q102-Spezifikationen (Grade 1). Sie lassen sich somit in Lidar-Systemen einsetzen, die für die Fahrzeugindustrie bestimmt sind.