El significat de PIN (Post-intrínsec-negatiu) és que s'insereix una capa de material semiconductor amb una concentració de dopatge molt baixa (com ara Si) entre materials semiconductors de tipus P{-i tipus N-. Aquesta capa s'anomena I (intrínseca) i s'anomena regió intrínseca. L'estructura d'aFotodíode PIN(PIN-PD) es mostra a la figura de l'esquerra. A la figura, després que la llum incident entri des de la regió P *, s'absorbeix no només a la regió d'esgotament, sinó també fora de la regió d'esgotament. Aquestes absorcions formen el component de difusió en el fotocorrent. Per exemple, els electrons de la regió P * es difonen primer cap al límit esquerre de la regió d'esgotament i després passen per la regió d'esgotament per arribar a la regió N *. De la mateixa manera, els forats de la regió N' es difonen al límit dret de la regió d'esgotament abans de passar per la regió d'esgotament per arribar a la regió P *. El fotocorrent a la regió d'esgotament s'anomena component de deriva i el seu temps de propagació depèn principalment de l'amplada de la regió d'esgotament. Òbviament, el temps de propagació del component de corrent de difusió és més llarg que el del component de corrent de deriva. Com a resultat, la vora posterior del pols de corrent de sortida del fotodetector s'allarga i el retard de temps resultant afectarà la velocitat de resposta del fotodetector.
Si la regió d'esgotament és estreta, la majoria dels fotons arribaran a la regió N+ abans de ser absorbits per la regió d'esgotament. En aquesta regió, el camp elèctric és molt feble i no pot separar electrons i forats, el que resulta en una eficiència quàntica relativament baixa.
Una amplada més estreta de la regió d'esgotament *w* dóna com a resultat una capacitat d'unió més gran i una constant de temps RC més gran, la qual cosa és perjudicial per a la transmissió de dades a -alta velocitat.
Tenint en compte el temps de deriva i els efectes de la capacitat de la unió, l'amplada de banda d'un fotodíode es pot expressar com:
En la fórmula, R1és la resistència de càrrega.
L'anàlisi anterior demostra que augmentar l'amplada de la regió d'esgotament és essencial.
Com es mostra a la figura anterior, l'amplada de la regió I-és molt més gran que la de les regions P+ i N+. Per tant, s'absorbeixen més fotons a la regió I-, augmentant l'eficiència quàntica mentre es manté un petit corrent de difusió. La tensió de polarització inversa del fotodíode PIN es pot establir en un valor més petit perquè el gruix de la seva regió d'esgotament està determinat essencialment per l'amplada de la regió I-.
Per descomptat, una I-regió més àmplia no sempre és millor. Una amplada més gran (w) comporta un temps de deriva més llarg per als portadors a la regió d'esgotament, limitant així l'ample de banda. Per tant, cal una consideració exhaustiva. Com que els diferents materials semiconductors tenen diferents coeficients d'absorció per a diferents longituds d'ona de llum, l'amplada de la regió intrínseca (regió I-) varia. Per exemple, l'amplada de la regió I-d'un fotodíode Si PIN és d'aproximadament 40 mm, mentre que la d'un fotodíode PIN InGaAs és d'aproximadament 4 mm. Això determina els diferents amples de banda i rangs de longitud d'ona dels fotodetectors fets amb aquests dos materials diferents: els fotodíodes Si PIN s'utilitzen a la banda de 850 nm, mentre que els fotodíodes PIN InGaAs s'utilitzen a les bandes de 1310 nm i 1550 nm.
(APD) Fotodíode d'allau
Un APD (Avalanche Photodiode) és un fotodetector altament sensible que utilitza l'efecte d'allau per multiplicar el fotocorrent. El principi de l'efecte allau és el següent: una llum de senyal incident genera parells d'electrons-forats inicials a l'APD. A causa de l'alta tensió de polarització inversa aplicada a l'APD, aquests parells de forats d'electrons s'acceleren sota la influència del camp elèctric, obtenint una energia cinètica important. Quan xoquen amb àtoms neutres, els electrons de la banda de valència dels àtoms neutres guanyen energia i salten a la banda de conducció, generant així nous parells d'electrons-forats, anomenats parells d'electrons-forats secundaris. Aquests portadors secundaris també poden xocar amb altres àtoms neutres sota un fort camp elèctric, generant nous parells d'electrons-forats, induint així el procés d'allau que produeix nous portadors. En altres paraules, un fotó finalment genera molts portadors, amplificant el senyal òptic dins de l'APD. Estructuralment, la diferència entre un fotodíode APD i un PIN rau en l'addició d'una capa P addicional. L'estructura d'un APD es mostra a la figura 3-18. Quan està esbiaixat inversament, existeix un fort camp elèctric a la unió PN entre la capa I i la capa N *. Una vegada que la llum del senyal incident entra a la regió I des de la regió P * esquerra, s'absorbeix a la regió I per generar parells d'electrons-forat. Els electrons de la regió I es desplacen ràpidament cap a la regió de la unió PN i el fort camp elèctric a la unió PN fa que els electrons produeixin un efecte d'allau.
Estructuralment, la diferència entre un fotodíode APD i PIN rau en l'addició d'una capa addicional, P. L'estructura d'un APD es mostra a la figura de la dreta. Sota la polarització inversa, existeix un fort camp elèctric a la unió PN entre les capes I i N +. Una vegada que la llum del senyal incident entra a la regió I des de la regió P+ esquerra, s'absorbeix a la regió I, generant parells d'electrons-forats. Els electrons es desplacen ràpidament cap a la regió de la unió PN i el fort camp elèctric a la unió PN provoca un efecte d'allau.
En comparació amb els fotodíodes PIN, el fotocorrent és amplificat internament per l'APD, evitant així el soroll introduït pels circuits externs. Des d'una perspectiva estadística mitjana, suposant que un fotó genera M portadors, això és igual a la relació entre la sortida de fotocorrent I després de l'allau APD i la fotocorrent I inicial abans de la multiplicació.
A la fórmula, M s'anomena factor de multiplicació.
El factor de multiplicació està relacionat amb la taxa d'ionització dels portadors de càrrega, que es refereix al nombre mitjà de parells d'-forats d'electrons generats per unitat de distància de deriva. La velocitat d'ionització d'electrons i la taxa d'ionització del forat són diferents, indicades per ₀ i ₂, respectivament. Estan relacionats amb factors com ara la tensió de polarització inversa, l'amplada de la regió d'esgotament i la concentració de dopatge, i es denoten com a ₀.
A la fórmula, k és el coeficient d'ionització, que és una mesura del rendiment d'un fotodetector.
L'efecte de la velocitat d'ionització sobre M es pot donar per la fórmula següent:
Quan=0, només els electrons participen en el procés d'allau, M=e^(-ω), i el guany augmenta exponencialment amb ω. Quan ω=1 i -1, segons l'equació (3-26), M → ∞, i es produeix una ruptura d'allau. Normalment, el valor de M oscil·la entre 10 i 500. L'avaria d'allau en un APD es produeix perquè la tensió de polarització inversa aplicada és massa gran. Tenint en compte l'estreta relació entre M i la tensió de polarització inversa, s'utilitza habitualment una fórmula empírica per descriure la seva relació, és a dir:
A la fórmula, n és un índex característic depenent de la temperatura-, n=2.5~7; Un és la tensió de ruptura d'allau, que varia de 70 a 200 V per a diferents materials semiconductors; U és la tensió de polarització inversa, que generalment es considera del 80% al 90% de UgR. Quan s'utilitza un APD, és essencial assegurar-se que la tensió de funcionament es manté per sota de la tensió de ruptura d'allau per evitar danys al dispositiu.
