Betydningen af PIN (Post-Intrinsic-Negative) er, at et lag af halvledermateriale med en meget lav dopingkoncentration (såsom Si) indsættes mellem P-type og N-type halvledermaterialer. Dette lag betegnes som I (Intrinsic) og kaldes den indre region. Strukturen af enPIN-fotodiode(PIN-PD) er vist i den venstre figur. I figuren, efter indfaldende lys kommer ind fra P*-området, absorberes det ikke kun i udtømningsområdet, men også uden for udtømningsområdet. Disse absorptioner danner diffusionskomponenten i fotostrømmen. For eksempel diffunderer elektroner i P*-området først til venstre grænse af udtømningsområdet og passerer derefter gennem udtømningsområdet for at nå N*-området. Tilsvarende diffunderer huller i N'-området til højre grænse af udtømningsområdet, før de passerer gennem udtømningsområdet for at nå P*-området. Fotostrømmen i udtømningsområdet kaldes afdriftskomponenten, og dens udbredelsestid afhænger hovedsageligt af udtømningsområdets bredde. Det er klart, at udbredelsestiden for diffusionsstrømkomponenten er længere end driftstrømkomponentens. Som følge heraf forlænges bagkanten af fotodetektorens udgangsstrømimpuls, og den resulterende tidsforsinkelse vil påvirke fotodetektorens responshastighed.
Hvis udtømningsområdet er smalt, vil de fleste fotoner nå N+-området, før de absorberes af udtømningsområdet. I denne region er det elektriske felt meget svagt og kan ikke adskille elektroner og huller, hvilket resulterer i en relativt lav kvanteeffektivitet.
En smallere udtømningsområdebredde *w* resulterer i en større krydskapacitans og en større RC-tidskonstant, hvilket er skadeligt for høj-datatransmission.
I betragtning af drifttid og krydskapacitanseffekter kan båndbredden af en fotodiode udtrykkes som:
I formlen er R1er belastningsmodstanden.
Ovenstående analyse viser, at det er vigtigt at øge bredden af udtømningsområdet.
Som vist i figuren ovenfor er bredden af I--området meget større end P+- og N+-regionerne. Derfor absorberes flere fotoner i I--området, hvilket øger kvanteeffektiviteten, mens en lille diffusionsstrøm opretholdes. Den omvendte forspænding af PIN-fotodioden kan indstilles til en mindre værdi, fordi tykkelsen af dens udtømningsregion i det væsentlige bestemmes af I--områdets bredde.
Selvfølgelig er en bredere I-region ikke altid bedre. En større bredde (w) resulterer i en længere drifttid for bærere i udtømningsområdet, hvilket begrænser båndbredden. Derfor er det nødvendigt med en omfattende overvejelse. Da forskellige halvledermaterialer har forskellige absorptionskoefficienter for forskellige bølgelængder af lys, varierer bredden af det indre område (I-region). For eksempel er I-regionsbredden af en Si PIN-fotodiode ca. 40 mm, mens bredden af en InGaAs PIN-fotodiode er ca. 4 mm. Dette bestemmer de forskellige båndbredder og bølgelængdeområder for fotodetektorer fremstillet af disse to forskellige materialer: Si PIN-fotodioder bruges i 850 nm-båndet, mens InGaAs PIN-fotodioder bruges i 1310 nm- og 1550 nm-båndene.
(APD)Lavine fotodiode
En APD (Avalanche Photodiode) er en meget følsom fotodetektor, der udnytter lavineeffekten til at multiplicere fotostrømmen. Princippet for lavineeffekten er som følger: Et indfaldende signallys genererer indledende elektron-hulpar i APD. På grund af den høje omvendte biasspænding, der påføres APD'en, accelererer disse elektron-hulpar under påvirkning af det elektriske felt og opnår betydelig kinetisk energi. Når de kolliderer med neutrale atomer, får elektroner i de neutrale atomers valensbånd energi og hopper til ledningsbåndet, hvorved der dannes nye elektron-hulpar, kaldet sekundære elektron-hulpar. Disse sekundære bærere kan også kollidere med andre neutrale atomer under et stærkt elektrisk felt, hvilket genererer nye elektron-hulpar, hvilket inducerer lavineprocessen, der producerer nye bærere. Med andre ord genererer en foton i sidste ende mange bærere, der forstærker det optiske signal i APD'en. Strukturelt ligger forskellen mellem en APD og en PIN-fotodiode i tilføjelsen af et ekstra P-lag. Strukturen af en APD er vist i figur 3-18. Når det er omvendt forspændt, eksisterer der et stærkt elektrisk felt i PN-forbindelsen, der er klemt mellem I-laget og N*-laget. Når først det indfaldende signallys kommer ind i I-området fra venstre P*-område, absorberes det i I-området for at generere elektron-hul-par. Elektronerne i I-regionen driver hurtigt til PN-junction-regionen, og det stærke elektriske felt i PN-junction får elektronerne til at producere en lavineeffekt.
Strukturelt ligger forskellen mellem en APD og en PIN fotodiode i tilføjelsen af et ekstra lag, P. Strukturen af en APD er vist i den højre figur. Under omvendt bias eksisterer et stærkt elektrisk felt i PN-krydset klemt mellem I- og N+-lagene. Når det indfaldende signallys kommer ind i I-området fra venstre P+-område, absorberes det i I-området og genererer elektron-hulpar. Elektronerne driver hurtigt til PN-krydsområdet, og det stærke elektriske felt i PN-krydset forårsager en lavineeffekt.
Sammenlignet med PIN-fotodioder forstærkes fotostrømmen internt af APD'en, hvorved støj fra eksterne kredsløb undgås. Fra et statistisk gennemsnitsperspektiv, hvis det antages, at en foton genererer M bærere, er dette lig med forholdet mellem fotostrøm I output efter APD lavine og den indledende fotostrøm I før multiplikation.
I formlen kaldes M multiplikationsfaktoren.
Multiplikationsfaktoren er relateret til ladningsbærernes ioniseringshastighed, som refererer til det gennemsnitlige antal elektron-hulpar, der genereres pr. enhedsafstand for drift. Elektronioniseringshastigheden og hulioniseringshastigheden er forskellige, angivet med henholdsvis 0 og ₂. De er relateret til faktorer såsom omvendt biasspænding, udtømningsområdets bredde og dopingkoncentration og er betegnet som ₀.
I formlen er k ioniseringskoefficienten, som er et mål for en fotodetektors ydeevne.
Virkningen af ioniseringshastigheden på M kan gives ved følgende formel:
Når=0 deltager kun elektroner i lavineprocessen, M=e^(-ω), og forstærkningen stiger eksponentielt med ω. Når ω=1 og -1, ifølge ligning (3-26), sker M → ∞, og lavinesammenbrud. Typisk varierer værdien af M fra 10 til 500. Lavinesammenbrud i en APD opstår, fordi den påførte omvendte biasspænding er for stor. I betragtning af det tætte forhold mellem M og den omvendte biasspænding, bruges en empirisk formel almindeligvis til at beskrive deres forhold, dvs.
I formlen er n et temperatur-afhængigt karakteristisk indeks, n=2.5~7; Un er lavinegennembrudsspændingen, som varierer fra 70 til 200V for forskellige halvledermaterialer; U er den omvendte biasspænding, som generelt tages som 80% til 90% af UgR. Når du bruger en APD, er det vigtigt at sikre, at driftsspændingen holdes under lavine-nedbrudsspændingen for at undgå at beskadige enheden.
