Znaczenie PIN (Post-wewnętrznie-ujemne) polega na tym, że warstwa materiału półprzewodnikowego o bardzo niskim stężeniu domieszki (takim jak Si) jest wstawiana pomiędzy materiały półprzewodnikowe typu P- i typu N-. Warstwa ta jest oznaczona jako I (wewnętrzna) i nazywana jest obszarem wewnętrznym. Struktura AFotodioda PIN(PIN-PD) pokazano na lewym rysunku. Na rysunku światło padające z obszaru P* jest absorbowane nie tylko w obszarze zubożenia, ale także poza nim. Absorpcje te tworzą składnik dyfuzyjny w fotoprądzie. Na przykład elektrony w obszarze P* dyfundują najpierw do lewej granicy obszaru zubożenia, a następnie przechodzą przez obszar zubożenia, aby dotrzeć do obszaru N*. Podobnie dziury w obszarze N' dyfundują do prawej granicy obszaru zubożenia, zanim przejdą przez obszar zubożenia i dotrą do obszaru P*. Fotoprąd w obszarze zubożenia nazywany jest składową dryfu, a czas jego propagacji zależy głównie od szerokości obszaru zubożenia. Oczywiście czas propagacji składowej prądu dyfuzyjnego jest dłuższy niż składowej prądu dryfu. W efekcie wydłuża się zbocze opadające impulsu prądu wyjściowego fotodetektora, a powstałe opóźnienie czasowe będzie miało wpływ na szybkość reakcji fotodetektora.
Jeśli obszar zubożenia jest wąski, większość fotonów dotrze do obszaru N+, zanim zostaną zaabsorbowane przez obszar zubożenia. W tym obszarze pole elektryczne jest bardzo słabe i nie może oddzielić elektronów i dziur, co skutkuje stosunkowo niską wydajnością kwantową.
Węższa szerokość obszaru zubożenia *w* powoduje większą pojemność złącza i większą stałą czasową RC, co jest szkodliwe dla-szybkiej transmisji danych.
Biorąc pod uwagę czas dryfu i efekty pojemności złącza, szerokość pasma fotodiody można wyrazić jako:
W formule R1jest rezystancją obciążenia.
Z powyższej analizy wynika, że istotne jest zwiększenie szerokości obszaru zubożenia.
Jak pokazano na powyższym rysunku, szerokość obszaru I-jest znacznie większa niż szerokość obszarów P+ i N+. Dlatego więcej fotonów jest absorbowanych w obszarze I-, zwiększając wydajność kwantową przy jednoczesnym zachowaniu małego prądu dyfuzyjnego. Napięcie polaryzacji zaporowej fotodiody PIN można ustawić na mniejszą wartość, ponieważ grubość jej obszaru zubożenia jest zasadniczo określona przez szerokość obszaru I-.
Oczywiście szerszy region-nie zawsze jest lepszy. Większa szerokość (w) powoduje dłuższy czas dryfu nośnych w obszarze wyczerpania, ograniczając w ten sposób szerokość pasma. Dlatego konieczne jest kompleksowe rozważenie. Ponieważ różne materiały półprzewodnikowe mają różne współczynniki absorpcji dla różnych długości fal światła, szerokość obszaru wewnętrznego (obszar I-) jest różna. Na przykład szerokość obszaru I-fotodiody Si PIN wynosi około 40 mm, podczas gdy szerokość fotodiody PIN InGaAs wynosi około 4 mm. Określa to różne szerokości pasma i zakresy długości fal fotodetektorów wykonanych z tych dwóch różnych materiałów: fotodiody Si PIN są stosowane w paśmie 850 nm, natomiast fotodiody InGaAs PIN są stosowane w pasmach 1310 nm i 1550 nm.
(APD)Fotodioda lawinowa
APD (fotodioda lawinowa) to bardzo czuły fotodetektor, który wykorzystuje efekt lawinowy do zwielokrotnienia fotoprądu. Zasada efektu lawinowego jest następująca: Padające światło sygnalizacyjne generuje początkowe pary elektronów-dziur w APD. Ze względu na wysokie napięcie polaryzacji wstecznej przyłożone do APD, te pary elektronów-dziur przyspieszają pod wpływem pola elektrycznego, uzyskując znaczną energię kinetyczną. Kiedy zderzają się z atomami obojętnymi, elektrony w paśmie walencyjnym atomów obojętnych zyskują energię i przeskakują do pasma przewodnictwa, tworząc w ten sposób nowe pary elektron-dziur, zwane wtórnymi parami elektronów-dziur. Te wtórne nośniki mogą również zderzać się z innymi obojętnymi atomami pod silnym polem elektrycznym, tworząc nowe pary-dziur elektronowych, indukując w ten sposób proces lawinowy, w wyniku którego powstają nowe nośniki. Innymi słowy, jeden foton ostatecznie generuje wiele nośników, wzmacniając sygnał optyczny w APD. Strukturalnie różnica między fotodiodą APD a fotodiodą PIN polega na dodaniu dodatkowej warstwy P. Strukturę APD pokazano na rysunku 3-18. W przypadku polaryzacji zaporowej w złączu PN umieszczonym pomiędzy warstwą I i warstwą N* występuje silne pole elektryczne. Gdy padające światło sygnalizacyjne dotrze do obszaru I z lewego obszaru P*, jest absorbowane w obszarze I, tworząc pary elektron-dziura. Elektrony w obszarze I szybko dryfują do obszaru złącza PN, a silne pole elektryczne w złączu PN powoduje, że elektrony wytwarzają efekt lawinowy.
Strukturalnie różnica między fotodiodą APD a fotodiodą PIN polega na dodaniu dodatkowej warstwy P. Strukturę APD pokazano na prawym rysunku. W przypadku polaryzacji odwrotnej w złączu PN umieszczonym pomiędzy warstwami I i N+ występuje silne pole elektryczne. Gdy padające światło sygnalizacyjne dotrze do obszaru I z lewego obszaru P+, jest absorbowane w obszarze I, tworząc pary-elektronów i dziur. Elektrony szybko dryfują do obszaru złącza PN, a silne pole elektryczne w złączu PN powoduje efekt lawinowy.
W porównaniu do fotodiod PIN, fotoprąd jest wzmacniany wewnętrznie przez APD, co pozwala uniknąć szumów wprowadzanych przez obwody zewnętrzne. Ze statystycznej perspektywy średniej, zakładając, że jeden foton generuje M nośników, jest to równe stosunkowi fotoprądu I wytworzonego po lawinie APD do początkowego fotoprądu I przed zwielokrotnieniem.
We wzorze M nazywa się mnożnikiem.
Współczynnik mnożenia jest powiązany ze szybkością jonizacji nośników ładunku, która odnosi się do średniej liczby par elektronów-dziur generowanych na jednostkę odległości dryfu. Szybkość jonizacji elektronów i szybkość jonizacji dziur są różne, oznaczone odpowiednio przez ₀ i ₂. Są one związane z takimi czynnikami, jak napięcie polaryzacji zaporowej, szerokość obszaru zubożenia i stężenie domieszkowania i są oznaczone jako ₀.
We wzorze k jest współczynnikiem jonizacji, który jest miarą wydajności fotodetektora.
Wpływ szybkości jonizacji na M można wyrazić za pomocą następującego wzoru:
Gdy=0 w procesie lawinowym uczestniczą tylko elektrony, M=e^(-ω), a wzmocnienie wzrasta wykładniczo wraz z ω. Gdy ω=1 i -1, zgodnie z równaniem (3-26), następuje M → ∞ i następuje załamanie lawinowe. Zwykle wartość M mieści się w zakresie od 10 do 500. Awaria lawinowa w APD następuje, ponieważ przyłożone napięcie polaryzacji wstecznej jest zbyt duże. Biorąc pod uwagę ścisłą zależność pomiędzy M i napięciem polaryzacji zaporowej, powszechnie stosuje się wzór empiryczny do opisu ich zależności, tj.:
We wzorze n oznacza wskaźnik charakterystyczny-zależny od temperatury, n=2.5~7; Un to napięcie przebicia lawinowego, które waha się od 70 do 200 V dla różnych materiałów półprzewodnikowych; U to napięcie polaryzacji zaporowej, które zwykle przyjmuje się jako 80% do 90% UgR. Podczas korzystania z APD należy koniecznie upewnić się, że napięcie robocze jest utrzymywane poniżej napięcia przebicia lawinowego, aby uniknąć uszkodzenia urządzenia.
