Značenje PIN-a (Post-Intrinsic-Negative) je da se sloj poluprovodničkog materijala sa vrlo niskom koncentracijom dopinga (kao što je Si) umetne između P-tipa i N-tipa poluvodičkih materijala. Ovaj sloj je označen kao I (Intrinsic) i naziva se unutrašnjim područjem. Struktura aPIN fotodioda(PIN-PD) je prikazan na lijevoj slici. Na slici, nakon što upadna svetlost uđe iz P* regiona, apsorbuje se ne samo u oblasti iscrpljivanja, već i izvan regiona iscrpljivanja. Ove apsorpcije formiraju difuzijsku komponentu u fotostruji. Na primjer, elektroni u P* regiji prvo difundiraju na lijevu granicu iscrpljenog regiona, a zatim prolaze kroz oblast iscrpljivanja da bi došli do N* regiona. Slično, rupe u N' regionu difundiraju na desnu granicu oblasti iscrpljivanja prije nego što prođu kroz regiju iscrpljivanja kako bi došle do P* regije. Fotostruja u oblasti iscrpljivanja naziva se drift komponenta, a vreme njenog širenja uglavnom zavisi od širine oblasti iscrpljivanja. Očigledno je da je vrijeme propagacije komponente difuzijske struje duže nego kod komponente struje drifta. Kao rezultat, zadnja ivica impulsa izlazne struje fotodetektora se produžava, a rezultirajuće vremensko kašnjenje će uticati na brzinu odziva fotodetektora.
Ako je područje iscrpljenosti usko, većina fotona će doći do N+ regije prije nego što ih apsorbira oblast iscrpljenosti. U ovom području, električno polje je vrlo slabo i ne može odvojiti elektrone i rupe, što rezultira relativno niskom kvantnom efikasnošću.
Uža širina područja iscrpljivanja *w* rezultira većom kapacitivnošću spoja i većom vremenskom konstantom RC, što je štetno za{0}}brzi prijenos podataka.
Uzimajući u obzir vrijeme drifta i efekte kapacitivnosti spoja, širina pojasa fotodiode može se izraziti kao:
U formuli, R1je otpor opterećenja.
Gornja analiza pokazuje da je povećanje širine područja iscrpljivanja od suštinskog značaja.
Kao što je prikazano na gornjoj slici, širina I-regije je mnogo veća od širine P+ i N+ regiona. Stoga se više fotona apsorbira u I-regiji, povećavajući kvantnu efikasnost uz održavanje male difuzijske struje. Napon obrnutog prednapona PIN fotodiode može se postaviti na manju vrijednost jer je debljina njenog područja iscrpljivanja u suštini određena širinom I-regije.
Naravno, širi I{0}}region nije uvijek bolji. Veća širina (w) rezultira dužim vremenom drifta za nosioce u oblasti iscrpljivanja, čime se ograničava širina pojasa. Stoga je potrebno sveobuhvatno razmatranje. Budući da različiti poluvodički materijali imaju različite koeficijente apsorpcije za različite talasne dužine svjetlosti, širina unutrašnjeg područja (I-regija) varira. Na primjer, širina I- područja Si PIN fotodiode je približno 40 mm, dok je širina InGaAs PIN fotodiode približno 4 mm. Ovo određuje različite propusne opsege i opsege talasnih dužina fotodetektora napravljenih od ova dva različita materijala: Si PIN fotodiode se koriste u opsegu od 850 nm, dok se InGaAs PIN fotodiode koriste u opsegu od 1310 nm i 1550 nm.
(APD)Lavina fotodioda
APD (Avalanche Photodiode) je visoko osjetljiv fotodetektor koji koristi efekat lavine za umnožavanje fotostruje. Princip efekta lavine je sljedeći: Upadno signalno svjetlo generiše početne parove elektronskih-rupa u APD-u. Zbog visokog reverznog prednapona primijenjenog na APD, ovi parovi elektronskih-rupa ubrzavaju pod utjecajem električnog polja, dobijajući značajnu kinetičku energiju. Kada se sudare sa neutralnim atomima, elektroni u valentnom pojasu neutralnih atoma dobijaju energiju i skaču u pojas provodljivosti, stvarajući tako nove parove elektronskih-rupa, koji se nazivaju sekundarni parovi elektronskih-rupa. Ovi sekundarni nosači se također mogu sudarati s drugim neutralnim atomima pod jakim električnim poljem, stvarajući nove parove elektronskih- rupa, izazivajući tako lavinski proces koji proizvodi nove nosače. Drugim riječima, jedan foton na kraju generiše mnogo nosača, pojačavajući optički signal unutar APD-a. Strukturno, razlika između APD i PIN fotodiode leži u dodavanju dodatnog P sloja. Struktura APD-a je prikazana na slici 3-18. Kada je obrnuto pristrasno, snažno električno polje postoji u PN spoju u sendviču između I sloja i N* sloja. Jednom kada upadna signalna svjetlost uđe u I regiju iz lijevog P* regiona, apsorbuje se u I regionu da bi stvorila parove elektron-rupa. Elektroni u I području brzo odlaze u područje PN spoja, a jako električno polje u PN spoju uzrokuje da elektroni proizvedu lavinski efekat.
Strukturno, razlika između APD i PIN fotodiode leži u dodavanju dodatnog sloja, P. Struktura APD-a je prikazana na desnoj slici. Pod obrnutim pristrasnošću, snažno električno polje postoji u PN spoju u sendviču između I i N+ slojeva. Jednom kada upadna signalna svjetlost uđe u I regiju iz lijevog P+ regiona, apsorbira se u I regiji, stvarajući parove elektronskih- rupa. Elektroni brzo odlaze u područje PN spoja, a jako električno polje u PN spoju uzrokuje efekat lavine.
U poređenju sa PIN fotodiodama, fotostruja se interno pojačava pomoću APD-a, čime se izbegava šum koji unosi spoljna kola. Iz perspektive statističkog prosjeka, pod pretpostavkom da jedan foton generiše M nosača, ovo je jednako omjeru fotostruje I izlazne lavine nakon APD lavine prema početnoj fotostruji I prije množenja.
U formuli, M se naziva faktor množenja.
Faktor množenja je povezan sa brzinom jonizacije nosilaca naboja, koja se odnosi na prosječan broj parova elektronskih- rupa generiranih po jedinici udaljenosti pomaka. Brzina jonizacije elektrona i brzina jonizacije rupa su različite, označene sa ₀ i ₂, respektivno. Oni su povezani sa faktorima kao što su napon obrnutog prednapona, širina područja iscrpljivanja i koncentracija dopinga, i označeni su kao ₀.
U formuli, k je koeficijent jonizacije, koji je mjera performansi fotodetektora.
Učinak brzine ionizacije na M može se dati sljedećom formulom:
Kada je=0, samo elektroni učestvuju u procesu lavine, M=e^(-ω), a pojačanje raste eksponencijalno sa ω. Kada ω=1 i -1, prema jednačini (3-26), M → ∞, dolazi do sloma lavine. Tipično, vrijednost M kreće se od 10 do 500. Lavini slom u APD-u nastaje zato što je primijenjeni reverzni napon prednapona prevelik. Uzimajući u obzir blisku vezu između M i obrnutog prednapona, empirijska formula se obično koristi za opisivanje njihovog odnosa, tj.
U formuli, n je temperaturno{0}}zavisni indeks karakteristike, n=2.5~7; Un je lavinski probojni napon, koji varira od 70 do 200V za različite poluprovodničke materijale; U je napon obrnutog prednapona, koji se općenito uzima kao 80% do 90% UgR. Kada koristite APD, bitno je osigurati da se radni napon održava ispod napona proboja lavine kako biste izbjegli oštećenje uređaja.
