Betydningen av PIN (Post-Intrinsic-Negative) er at et lag av halvledermateriale med svært lav dopingkonsentrasjon (som Si) settes inn mellom P-type og N-type halvledermaterialer. Dette laget er betegnet som I (Intrinsic) og kalles den indre regionen. Strukturen til enPIN-fotodiode(PIN-PD) vises i figuren til venstre. I figuren, etter at innfallende lys kommer inn fra P*-området, absorberes det ikke bare i utarmingsområdet, men også utenfor utarmingsområdet. Disse absorpsjonene danner diffusjonskomponenten i fotostrømmen. For eksempel diffunderer elektroner i P*-regionen først til venstre grense av utarmingsregionen og passerer deretter gjennom utarmingsregionen for å nå N*-regionen. På samme måte diffunderer hull i N'-regionen til høyre grense av utarmingsregionen før de passerer gjennom utarmingsregionen for å nå P*-regionen. Fotostrømmen i utarmingsområdet kalles avdriftskomponenten, og forplantningstiden avhenger hovedsakelig av bredden til utarmingsområdet. Det er klart at forplantningstiden til diffusjonsstrømkomponenten er lengre enn driftstrømkomponenten. Som et resultat blir bakkanten av utgangsstrømpulsen til fotodetektoren forlenget, og den resulterende tidsforsinkelsen vil påvirke responshastigheten til fotodetektoren.
Hvis utarmingsregionen er smal, vil de fleste fotoner nå N+-regionen før de absorberes av utarmingsregionen. I denne regionen er det elektriske feltet veldig svakt og kan ikke skille elektroner og hull, noe som resulterer i en relativt lav kvanteeffektivitet.
En smalere uttømmingsområdebredde *w* resulterer i en større koblingskapasitans og en større RC-tidskonstant, noe som er skadelig for høyhastighets-dataoverføring.
Tatt i betraktning drifttid og krysskapasitanseffekter, kan båndbredden til en fotodiode uttrykkes som:
I formelen, R1er belastningsmotstanden.
Analysen ovenfor viser at det er viktig å øke bredden på uttømmingsområdet.
Som vist i figuren ovenfor, er bredden til I--regionen mye større enn P+- og N+-regionene. Derfor absorberes flere fotoner i I-regionen, noe som øker kvanteeffektiviteten samtidig som en liten diffusjonsstrøm opprettholdes. Den omvendte forspenningen til PIN-fotodioden kan settes til en mindre verdi fordi tykkelsen på uttømmingsområdet i hovedsak bestemmes av bredden til I--området.
En bredere I-region er selvfølgelig ikke alltid bedre. En større bredde (w) resulterer i en lengre drifttid for bærere i utarmingsområdet, og begrenser dermed båndbredden. Derfor er det nødvendig med en omfattende vurdering. Siden forskjellige halvledermaterialer har forskjellige absorpsjonskoeffisienter for forskjellige bølgelengder av lys, varierer bredden til den indre regionen (I-regionen). For eksempel er I--regionsbredden til en Si PIN-fotodiode omtrent 40 mm, mens bredden til en InGaAs PIN-fotodiode er omtrent 4 mm. Dette bestemmer de forskjellige båndbreddene og bølgelengdeområdene til fotodetektorer laget av disse to forskjellige materialene: Si PIN-fotodioder brukes i 850 nm-båndet, mens InGaAs PIN-fotodioder brukes i 1310 nm- og 1550 nm-båndene.
(APD)Skredfotodiode
En APD (Avalanche Photodiode) er en svært følsom fotodetektor som bruker skredeffekten til å multiplisere fotostrømmen. Prinsippet for skredeffekten er som følger: Et innfallende signallys genererer innledende elektron-hullpar i APD. På grunn av den høye omvendte forspenningen påført APD, akselererer disse elektron-hullparene under påvirkning av det elektriske feltet, og får betydelig kinetisk energi. Når de kolliderer med nøytrale atomer, får elektroner i valensbåndet til de nøytrale atomene energi og hopper til ledningsbåndet, og genererer dermed nye elektron-hullpar, kalt sekundære elektron-hullpar. Disse sekundære bærerne kan også kollidere med andre nøytrale atomer under et sterkt elektrisk felt, og generere nye elektron-hullpar, og dermed indusere skredprosessen som produserer nye bærere. Med andre ord, ett foton genererer til slutt mange bærere, og forsterker det optiske signalet i APD. Strukturelt ligger forskjellen mellom en APD og en PIN-fotodiode i tillegget av et ekstra P-lag. Strukturen til en APD er vist i figur 3-18. Når det er reversert, eksisterer et sterkt elektrisk felt i PN-krysset mellom I-laget og N*-laget. Når det innfallende signallyset kommer inn i I-området fra venstre P*-område, absorberes det i I-området for å generere elektron-hull-par. Elektronene i I-regionen driver raskt til PN-kryssområdet, og det sterke elektriske feltet i PN-krysset får elektronene til å produsere en skredeffekt.
Strukturelt ligger forskjellen mellom en APD og en PIN-fotodiode i tillegg av et ekstra lag, P. Strukturen til en APD er vist i høyre figur. Under omvendt skjevhet eksisterer et sterkt elektrisk felt i PN-krysset klemt mellom I- og N+-lagene. Når det innfallende signallyset kommer inn i I-området fra venstre P+-område, absorberes det i I-området, og genererer elektron-hullpar. Elektronene driver raskt til PN-krysset, og det sterke elektriske feltet i PN-krysset forårsaker en skredeffekt.
Sammenlignet med PIN-fotodioder, forsterkes fotostrømmen internt av APD, og unngår dermed støy fra eksterne kretser. Fra et statistisk gjennomsnittsperspektiv, forutsatt at ett foton genererer M bærere, er dette lik forholdet mellom fotostrømmen I-utgang etter APD-skred og den initiale fotostrømmen I før multiplikasjon.
I formelen kalles M multiplikasjonsfaktoren.
Multiplikasjonsfaktoren er relatert til ioniseringshastigheten til ladningsbærerne, som refererer til gjennomsnittlig antall elektron-hullpar generert per enhetsavstand av drift. Elektronioniseringshastigheten og hullioniseringshastigheten er forskjellige, angitt med henholdsvis ₀ og ₂. De er relatert til faktorer som omvendt biasspenning, uttømmingsregionbredde og dopingkonsentrasjon, og er betegnet som ₀.
I formelen er k ioniseringskoeffisienten, som er et mål på ytelsen til en fotodetektor.
Effekten av ioniseringshastighet på M kan gis ved følgende formel:
Når=0 deltar bare elektroner i skredprosessen, M=e^(-ω), og forsterkningen øker eksponentielt med ω. Når ω=1 og -1, i henhold til ligning (3-26), skjer M → ∞, og skredsammenbrudd. Vanligvis varierer verdien av M fra 10 til 500. Skredsammenbrudd i en APD oppstår fordi den påførte omvendte forspenningen er for stor. Tatt i betraktning det nære forholdet mellom M og omvendt forspenning, brukes en empirisk formel vanligvis for å beskrive forholdet deres, dvs.:
I formelen er n en temperatur-avhengig karakteristisk indeks, n=2.5~7; Un er skredbruddspenningen, som varierer fra 70 til 200V for forskjellige halvledermaterialer; U er den omvendte forspenningen, som vanligvis tas som 80 % til 90 % av UgR. Når du bruker en APD, er det viktig å sikre at driftsspenningen holdes under skredbruddspenningen for å unngå skade på enheten.
