Význam PIN (Post{0}}Intrinsic{1}}Negative) spočívá v tom, že mezi polovodičové materiály typu P-a N- je vložena vrstva polovodičového materiálu s velmi nízkou koncentrací dopingu (jako je Si). Tato vrstva je označena jako I (Intrinsic) a nazývá se vnitřní oblast. Struktura aPIN fotodioda(PIN-PD) je zobrazen na obrázku vlevo. Na obrázku, poté, co dopadající světlo vstoupí z oblasti P*, je absorbováno nejen v oblasti vyčerpání, ale také mimo oblast vyčerpání. Tyto absorpce tvoří difúzní složku ve fotoproudu. Například elektrony v oblasti P* nejprve difundují k levému okraji oblasti vyčerpání a poté projdou oblastí vyčerpání, aby dosáhly oblasti N*. Podobně díry v oblasti N' difundují k pravé hranici oblasti vyčerpání, než projdou oblastí vyčerpání, aby dosáhly oblasti P*. Fotoproud v oblasti vyčerpání se nazývá složka driftu a doba jeho šíření závisí hlavně na šířce oblasti vyčerpání. Je zřejmé, že doba šíření složky difúzního proudu je delší než doba šíření složky driftového proudu. V důsledku toho se prodlouží sestupná hrana výstupního proudového impulsu fotodetektoru a výsledné časové zpoždění ovlivní rychlost odezvy fotodetektoru.
Pokud je oblast vyčerpání úzká, většina fotonů dosáhne oblasti N+ předtím, než jsou absorbovány oblastí vyčerpání. V této oblasti je elektrické pole velmi slabé a nemůže oddělit elektrony a díry, což má za následek relativně nízkou kvantovou účinnost.
Užší šířka oblasti vyčerpání *w* má za následek větší kapacitu spoje a větší časovou konstantu RC, což je škodlivé pro vysokorychlostní{0}}přenos dat.
S ohledem na dobu driftu a kapacitní efekty přechodu lze šířku pásma fotodiody vyjádřit jako:
Ve vzorci R1je zátěžový odpor.
Výše uvedená analýza ukazuje, že zvětšení šířky oblasti vyčerpání je zásadní.
Jak je znázorněno na obrázku výše, šířka oblasti I- je mnohem větší než šířka oblastí P+ a N+. Proto je v I-oblasti absorbováno více fotonů, čímž se zvyšuje kvantová účinnost při zachování malého difúzního proudu. Zpětné předpětí fotodiody PIN lze nastavit na menší hodnotu, protože tloušťka oblasti jejího vyčerpání je v podstatě určena šířkou oblasti I-.
Širší I-region samozřejmě není vždy lepší. Větší šířka (w) má za následek delší dobu driftu pro nosiče v oblasti vyčerpání, čímž se omezuje šířka pásma. Proto je nutná komplexní úvaha. Protože různé polovodičové materiály mají různé absorpční koeficienty pro různé vlnové délky světla, šířka vnitřní oblasti (I-oblast) se liší. Například šířka I-oblasti Si PIN fotodiody je přibližně 40 mm, zatímco šířka InGaAs PIN fotodiody je přibližně 4 mm. To určuje různé šířky pásma a rozsahy vlnových délek fotodetektorů vyrobených z těchto dvou různých materiálů: Si PIN fotodiody se používají v pásmu 850 nm, zatímco InGaAs PIN fotodiody se používají v pásmech 1310 nm a 1550 nm.
(APD)Lavinová fotodioda
APD (Avalanche Photodiode) je vysoce citlivý fotodetektor, který využívá lavinový efekt k znásobení fotoproudu. Princip lavinového efektu je následující: Dopadající signální světlo generuje počáteční páry elektron{1}}děr v APD. Kvůli vysokému zpětnému předpětí aplikovanému na APD se tyto páry elektronových -děr zrychlují pod vlivem elektrického pole a získávají významnou kinetickou energii. Když se srazí s neutrálními atomy, elektrony ve valenčním pásmu neutrálních atomů získají energii a přeskakují do vodivostního pásu, čímž generují nové elektronové -dírové páry, nazývané sekundární elektronové-děrové páry. Tyto sekundární nosiče se mohou také srážet s jinými neutrálními atomy pod silným elektrickým polem, generovat nové páry elektronových -děr, a tak vyvolat lavinový proces, který produkuje nové nosiče. Jinými slovy, jeden foton nakonec generuje mnoho nosičů, které zesilují optický signál v APD. Strukturálně spočívá rozdíl mezi APD a PIN fotodiodou v přidání další P vrstvy. Struktura APD je znázorněna na obrázku 3-18. Při zpětném předpětí existuje silné elektrické pole v přechodu PN vloženém mezi vrstvu I a vrstvu N*. Jakmile dopadající signální světlo vstoupí do oblasti I z levé oblasti P*, je absorbováno v oblasti I a vytvoří se páry elektron-díra. Elektrony v oblasti I rychle driftují do oblasti PN přechodu a silné elektrické pole v PN přechodu způsobí, že elektrony vyvolají lavinový efekt.
Strukturálně spočívá rozdíl mezi APD a PIN fotodiodou v přidání další vrstvy, P. Struktura APD je znázorněna na obrázku vpravo. Při zpětném předpětí existuje v PN přechodu vloženém mezi vrstvy I a N+ silné elektrické pole. Jakmile dopadající signální světlo vstoupí do oblasti I z levé oblasti P+, je absorbováno v oblasti I a vytvoří páry elektronových -děr. Elektrony se rychle snášejí do oblasti PN přechodu a silné elektrické pole v PN přechodu způsobuje lavinový efekt.
Ve srovnání s PIN fotodiodami je fotoproud zesilován interně pomocí APD, čímž se zabrání šumu vnášenému externími obvody. Z pohledu statistického průměru, za předpokladu, že jeden foton generuje M nosičů, se to rovná poměru výstupu fotoproudu I po lavině APD k počátečnímu fotoproudu I před znásobením.
Ve vzorci se M nazývá multiplikační faktor.
Multiplikační faktor souvisí s rychlostí ionizace nosičů náboje, která se vztahuje k průměrnému počtu párů elektron{0}}děr generovaných na jednotku vzdálenosti driftu. Rychlost elektronové ionizace a rychlost ionizace díry se liší, označují se 0 a 2. Vztahují se k faktorům, jako je reverzní předpětí, šířka oblasti vyčerpání a koncentrace dopingu, a jsou označeny jako ₀.
Ve vzorci je k ionizační koeficient, který je mírou výkonu fotodetektoru.
Vliv rychlosti ionizace na M může být dán následujícím vzorcem:
Když=0, účastní se lavinového procesu pouze elektrony, M=e^(-ω), a zisk roste exponenciálně s ω. Když ω=1 a -1, podle rovnice (3-26), M → ∞ a dojde k lavinovému zhroucení. Typicky se hodnota M pohybuje od 10 do 500. K lavinovému zhroucení v APD dochází, protože použité reverzní předpětí je příliš velké. Vzhledem k úzkému vztahu mezi M a zpětným předpětím se k popisu jejich vztahu běžně používá empirický vzorec, tj.
Ve vzorci je n teplotně-závislý charakteristický index, n=2.5~7; Un je lavinové průrazné napětí, které se pohybuje od 70 do 200 V pro různé polovodičové materiály; U je zpětné předpětí, které se obecně považuje za 80 % až 90 % UgR. Při použití APD je nezbytné zajistit, aby provozní napětí bylo udržováno pod napětím lavinového průrazu, aby nedošlo k poškození zařízení.
