Значението на PIN (Post-Intrinsic-Negative) е, че слой от полупроводников материал с много ниска концентрация на допинг (като Si) се вмъква между полупроводникови материали тип P-и N-тип. Този слой се обозначава като I (Intrinsic) и се нарича вътрешен регион. Структурата на aPIN фотодиод(PIN-PD) е показано на лявата фигура. На фигурата, след като падащата светлина навлезе от областта P*, тя се абсорбира не само в областта на изчерпване, но и извън областта на изчерпване. Тези абсорбции формират дифузионния компонент във фототока. Например, електроните в областта P* първо дифундират до лявата граница на зоната на изчерпване и след това преминават през областта на изчерпване, за да достигнат областта N*. По подобен начин дупките в областта N' дифундират до дясната граница на областта на изчерпване, преди да преминат през областта на изчерпване, за да достигнат областта P*. Фототокът в областта на изчерпване се нарича дрейфов компонент и времето му на разпространение зависи главно от ширината на областта на изчерпване. Очевидно времето на разпространение на компонента на дифузионния ток е по-дълго от това на компонента на дрейфовия ток. В резултат на това задният фронт на импулса на изходния ток на фотодетектора се удължава и полученото времезакъснение ще повлияе на скоростта на реакция на фотодетектора.
Ако зоната на изчерпване е тясна, повечето фотони ще достигнат областта N+, преди да бъдат погълнати от областта на изчерпване. В тази област електрическото поле е много слабо и не може да раздели електрони и дупки, което води до относително ниска квантова ефективност.
По-тясната ширина на зоната на изчерпване *w* води до по-голям капацитет на прехода и по-голяма RC времеконстанта, което е вредно за високо-скоростното предаване на данни.
Като се има предвид времето на дрейф и ефектите на капацитета на прехода, честотната лента на фотодиод може да се изрази като:
Във формулата R1е съпротивлението на натоварване.
Горният анализ показва, че увеличаването на ширината на зоната на изчерпване е от съществено значение.
Както е показано на фигурата по-горе, ширината на I-региона е много по-голяма от тази на P+ и N+ регионите. Следователно повече фотони се абсорбират в I-областта, увеличавайки квантовата ефективност, като същевременно поддържа малък дифузионен ток. Напрежението на обратното отклонение на PIN фотодиода може да бъде настроено на по-малка стойност, тъй като дебелината на неговата област на изчерпване се определя по същество от ширината на I-региона.
Разбира се, по-широк I-регион не винаги е по-добър. По-голямата ширина (w) води до по-дълго време на дрейф за носители в областта на изчерпване, като по този начин ограничава честотната лента. Следователно е необходимо цялостно разглеждане. Тъй като различните полупроводникови материали имат различни коефициенти на поглъщане за различни дължини на вълната на светлината, ширината на присъщата област (I-регион) варира. Например ширината на I-областта на Si PIN фотодиод е приблизително 40 mm, докато тази на InGaAs PIN фотодиод е приблизително 4 mm. Това определя различните честотни ленти и диапазони на дължини на вълните на фотодетекторите, направени от тези два различни материала: Si PIN фотодиодите се използват в обхвата 850 nm, докато InGaAs PIN фотодиодите се използват в обхватите 1310 nm и 1550 nm.
(APD) Лавинен фотодиод
APD (лавинен фотодиод) е високочувствителен фотодетектор, който използва лавинния ефект за умножаване на фототока. Принципът на ефекта на лавината е следният: падаща сигнална светлина генерира първоначални двойки електрони-дупки в APD. Поради високото обратно напрежение, приложено към APD, тези двойки електрон-дупки се ускоряват под въздействието на електрическото поле, придобивайки значителна кинетична енергия. Когато се сблъскат с неутрални атоми, електроните във валентната лента на неутралните атоми набират енергия и прескачат в зоната на проводимост, като по този начин генерират нови двойки електрон-дупки, наречени вторични двойки електрон-дупки. Тези вторични носители могат също да се сблъскат с други неутрални атоми под силно електрическо поле, генерирайки нови двойки електрони-дупки, като по този начин предизвикват лавинообразен процес, който произвежда нови носители. С други думи, един фотон в крайна сметка генерира много носители, усилвайки оптичния сигнал в APD. Структурно, разликата между APD и PIN фотодиод се състои в добавянето на допълнителен P слой. Структурата на APD е показана на фигура 3-18. Когато е обратно предубедено, съществува силно електрическо поле в PN прехода, поставен между слоя I и слоя N*. След като падащата сигнална светлина навлезе в областта I от лявата област P*, тя се абсорбира в областта I, за да генерира двойки електрон-дупка. Електроните в областта I бързо се отклоняват към областта на PN прехода и силното електрическо поле в PN прехода кара електроните да произвеждат лавинообразен ефект.
Структурно, разликата между APD и PIN фотодиод се крие в добавянето на допълнителен слой, P. Структурата на APD е показана на дясната фигура. При обратно отклонение съществува силно електрическо поле в PN прехода, поставен между слоевете I и N+. След като падащата сигнална светлина навлезе в областта I от лявата област P+, тя се абсорбира в областта I, генерирайки двойки електрони-дупки. Електроните бързо се движат към областта на PN прехода и силното електрическо поле в PN прехода предизвиква ефект на лавина.
В сравнение с PIN фотодиодите, фототокът се усилва вътрешно от APD, като по този начин се избягва шумът, въведен от външни вериги. От средностатистическа гледна точка, ако приемем, че един фотон генерира M носители, това е равно на съотношението на фототока I, изведен след APD лавина, към първоначалния фототок I преди умножаване.
Във формулата М се нарича коефициент на умножение.
Коефициентът на умножение е свързан със скоростта на йонизация на носителите на заряд, което се отнася до средния брой двойки електрони-дупки, генерирани на единица разстояние на дрейф. Скоростта на йонизация на електрони и скоростта на йонизация на дупки са различни, означени съответно с ₀ и ₂. Те са свързани с фактори като напрежение на обратното отклонение, ширина на зоната на изчерпване и концентрация на допинг и се означават като ₀.
Във формулата k е йонизационният коефициент, който е мярка за ефективността на фотодетектора.
Ефектът на скоростта на йонизация върху M може да бъде даден със следната формула:
Когато=0, само електрони участват в лавинообразния процес, M=e^(-ω), а печалбата нараства експоненциално с ω. Когато ω=1 и -1, съгласно уравнение (3-26), M → ∞, и възниква лавинообразен срив. Обикновено стойността на M варира от 10 до 500. Лавинен срив в APD възниква, защото приложеното напрежение на обратното отклонение е твърде голямо. Като се има предвид тясната връзка между M и напрежението на обратното отклонение, обикновено се използва емпирична формула, за да се опише връзката им, т.е.
Във формулата n е температурно-зависим характерен индекс, n=2.5~7; Un е лавинообразното пробивно напрежение, което варира от 70 до 200V за различните полупроводникови материали; U е напрежението на обратното отклонение, което обикновено се приема като 80% до 90% от UgR. Когато използвате APD, от съществено значение е да се гарантира, че работното напрежение се поддържа под напрежението на лавинен пробив, за да се избегне повреда на устройството.
