Η έννοια του PIN (Μετ-Εσωτερικό-Αρνητικό) είναι ότι ένα στρώμα ημιαγωγικού υλικού με πολύ χαμηλή συγκέντρωση ντόπινγκ (όπως το Si) παρεμβάλλεται μεταξύ υλικών ημιαγωγών τύπου P- και τύπου N-. Αυτό το στρώμα συμβολίζεται ως I (Εσωτερικό) και ονομάζεται εγγενής περιοχή. Η δομή του αPIN φωτοδίοδος(PIN-PD) φαίνεται στο αριστερό σχήμα. Στο σχήμα, αφού το προσπίπτον φως εισέλθει από την περιοχή P*, απορροφάται όχι μόνο στην περιοχή εξάντλησης αλλά και έξω από την περιοχή εξάντλησης. Αυτές οι απορροφήσεις αποτελούν το συστατικό διάχυσης στο φωτορεύμα. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια στην περιοχή P* αρχικά διαχέονται στο αριστερό όριο της περιοχής εξάντλησης και μετά περνούν από την περιοχή εξάντλησης για να φτάσουν στην περιοχή N*. Ομοίως, οι οπές στην περιοχή N' διαχέονται στο δεξιό όριο της περιοχής εξάντλησης πριν περάσουν από την περιοχή εξάντλησης για να φτάσουν στην περιοχή P*. Το φωτορεύμα στην περιοχή εξάντλησης ονομάζεται συνιστώσα μετατόπισης και ο χρόνος διάδοσής του εξαρτάται κυρίως από το πλάτος της περιοχής εξάντλησης. Προφανώς, ο χρόνος διάδοσης της συνιστώσας του ρεύματος διάχυσης είναι μεγαλύτερος από εκείνον της συνιστώσας του ρεύματος ολίσθησης. Ως αποτέλεσμα, η τελική άκρη του παλμού ρεύματος εξόδου του φωτοανιχνευτή επιμηκύνεται και η προκύπτουσα χρονική καθυστέρηση θα επηρεάσει την ταχύτητα απόκρισης του φωτοανιχνευτή.
Εάν η περιοχή εξάντλησης είναι στενή, τα περισσότερα φωτόνια θα φτάσουν στην περιοχή N+ πριν απορροφηθούν από την περιοχή εξάντλησης. Σε αυτή την περιοχή, το ηλεκτρικό πεδίο είναι πολύ ασθενές και δεν μπορεί να διαχωρίσει ηλεκτρόνια και οπές, με αποτέλεσμα μια σχετικά χαμηλή κβαντική απόδοση.
Ένα μικρότερο πλάτος περιοχής εξάντλησης *w* οδηγεί σε μεγαλύτερη χωρητικότητα διασταύρωσης και μεγαλύτερη χρονική σταθερά RC, η οποία είναι επιζήμια για τη μετάδοση δεδομένων υψηλής-ταχύτητας.
Λαμβάνοντας υπόψη το χρόνο μετατόπισης και τα εφέ χωρητικότητας διασταύρωσης, το εύρος ζώνης μιας φωτοδιόδου μπορεί να εκφραστεί ως:
Στον τύπο, ο R1είναι η αντίσταση φορτίου.
Η παραπάνω ανάλυση δείχνει ότι η αύξηση του πλάτους της περιοχής εξάντλησης είναι απαραίτητη.
Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, το πλάτος της περιοχής I-είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό των περιοχών P+ και N+. Επομένως, περισσότερα φωτόνια απορροφώνται στην περιοχή I-, αυξάνοντας την κβαντική απόδοση διατηρώντας παράλληλα ένα μικρό ρεύμα διάχυσης. Η τάση αντίστροφης πόλωσης της φωτοδιόδου PIN μπορεί να ρυθμιστεί σε μικρότερη τιμή επειδή το πάχος της περιοχής εξάντλησής της καθορίζεται ουσιαστικά από το πλάτος της περιοχής I-.
Φυσικά, μια ευρύτερη περιοχή I-δεν είναι πάντα καλύτερη. Ένα μεγαλύτερο πλάτος (w) οδηγεί σε μεγαλύτερο χρόνο μετατόπισης για τους φορείς στην περιοχή εξάντλησης, περιορίζοντας έτσι το εύρος ζώνης. Ως εκ τούτου, απαιτείται μια συνολική εξέταση. Δεδομένου ότι διαφορετικά υλικά ημιαγωγών έχουν διαφορετικούς συντελεστές απορρόφησης για διαφορετικά μήκη κύματος φωτός, το πλάτος της εγγενούς περιοχής (Ι-περιοχή) ποικίλλει. Για παράδειγμα, το πλάτος της περιοχής I-μιας φωτοδιόδου PIN Si είναι περίπου 40 mm, ενώ αυτό μιας φωτοδιόδου PIN InGaAs είναι περίπου 4 mm. Αυτό καθορίζει τα διαφορετικά εύρη ζώνης και τις περιοχές μήκους κύματος των φωτοανιχνευτών που κατασκευάζονται από αυτά τα δύο διαφορετικά υλικά: Οι φωτοδίοδοι PIN Si χρησιμοποιούνται στη ζώνη 850 nm, ενώ οι φωτοδίοδοι PIN InGaAs στις ζώνες 1310 nm και 1550 nm.
(APD)Φωτοδίοδος χιονοστιβάδας
Ένας APD (Avalanche Photodiode) είναι ένας εξαιρετικά ευαίσθητος φωτοανιχνευτής που χρησιμοποιεί το φαινόμενο χιονοστιβάδας για να πολλαπλασιάσει το φωτορεύμα. Η αρχή του φαινομένου της χιονοστιβάδας είναι η εξής: Ένα προσπίπτον φως σήματος δημιουργεί αρχικά ζεύγη οπών ηλεκτρονίων στο APD. Λόγω της υψηλής αντίστροφης τάσης πόλωσης που εφαρμόζεται στο APD, αυτά τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων-επιταχύνονται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου, αποκτώντας σημαντική κινητική ενέργεια. Όταν συγκρούονται με ουδέτερα άτομα, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους των ουδέτερων ατόμων αποκτούν ενέργεια και μεταπηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας, δημιουργώντας έτσι νέα ζεύγη ηλεκτρονίων-, που ονομάζονται ζεύγη δευτερευόντων ηλεκτρονίων-οπών. Αυτοί οι δευτερεύοντες φορείς μπορούν επίσης να συγκρουστούν με άλλα ουδέτερα άτομα κάτω από ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, δημιουργώντας νέα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων-, προκαλώντας έτσι τη διαδικασία χιονοστιβάδας που παράγει νέους φορείς. Με άλλα λόγια, ένα φωτόνιο παράγει τελικά πολλούς φορείς, ενισχύοντας το οπτικό σήμα εντός του APD. Δομικά, η διαφορά μεταξύ μιας φωτοδιόδου APD και μιας PIN έγκειται στην προσθήκη ενός επιπλέον στρώματος P. Η δομή ενός APD φαίνεται στο Σχήμα 3-18. Όταν γίνεται αντίστροφη πόλωση, υπάρχει ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στη διασταύρωση PN που βρίσκεται ανάμεσα στο στρώμα I και το στρώμα N*. Μόλις το προσπίπτον φως σήματος εισέλθει στην περιοχή I από την αριστερή περιοχή P*, απορροφάται στην περιοχή I για να δημιουργήσει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Τα ηλεκτρόνια στην περιοχή I μετατοπίζονται γρήγορα στην περιοχή σύνδεσης PN και το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στη διασταύρωση PN προκαλεί τα ηλεκτρόνια να παράγουν ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας.
Δομικά, η διαφορά μεταξύ μιας φωτοδιόδου APD και μιας PIN έγκειται στην προσθήκη ενός επιπλέον στρώματος, P. Η δομή μιας APD φαίνεται στο δεξιό σχήμα. Υπό αντίστροφη πόλωση, υπάρχει ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στη διασταύρωση PN που βρίσκεται ανάμεσα στα στρώματα I και N+. Μόλις το προσπίπτον φως σήματος εισέλθει στην περιοχή I από την αριστερή περιοχή P+, απορροφάται στην περιοχή I, δημιουργώντας ζεύγη ηλεκτρονίων-. Τα ηλεκτρόνια μετατοπίζονται γρήγορα στην περιοχή διασταύρωσης PN και το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στη διασταύρωση PN προκαλεί ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας.
Σε σύγκριση με τις φωτοδίοδοι PIN, το φωτορεύμα ενισχύεται εσωτερικά από το APD, αποφεύγοντας έτσι τον θόρυβο που εισάγεται από τα εξωτερικά κυκλώματα. Από μια στατιστική μέση προοπτική, υποθέτοντας ότι ένα φωτόνιο δημιουργεί M φορείς, αυτό είναι ίσο με την αναλογία του φωτορεύματος I που εξάγεται μετά τη χιονοστιβάδα APD προς το αρχικό φωτορεύμα I πριν από τον πολλαπλασιασμό.
Στον τύπο, το M ονομάζεται συντελεστής πολλαπλασιασμού.
Ο συντελεστής πολλαπλασιασμού σχετίζεται με τον ρυθμό ιονισμού των φορέων φορτίου, ο οποίος αναφέρεται στον μέσο αριθμό ζευγών οπών ηλεκτρονίων-που δημιουργούνται ανά μονάδα απόστασης μετατόπισης. Ο ρυθμός ιοντισμού ηλεκτρονίων και ο ρυθμός ιονισμού οπής είναι διαφορετικοί, που συμβολίζονται με 0 και 2, αντίστοιχα. Σχετίζονται με παράγοντες όπως η αντίστροφη τάση πόλωσης, το πλάτος της περιοχής εξάντλησης και η συγκέντρωση ντόπινγκ και συμβολίζονται ως ₀.
Στον τύπο, k είναι ο συντελεστής ιονισμού, ο οποίος είναι ένα μέτρο της απόδοσης ενός φωτοανιχνευτή.
Η επίδραση του ρυθμού ιονισμού στο M μπορεί να δοθεί από τον ακόλουθο τύπο:
Όταν=0, μόνο ηλεκτρόνια συμμετέχουν στη διαδικασία χιονοστιβάδας, M=e^(-ω), και το κέρδος αυξάνεται εκθετικά με το ω. Όταν ω=1 και -1, σύμφωνα με την εξίσωση (3-26), M → ∞, και η κατάρρευση χιονοστιβάδας συμβαίνει. Συνήθως, η τιμή του M κυμαίνεται από 10 έως 500. Η κατάρρευση χιονοστιβάδας σε ένα APD συμβαίνει επειδή η εφαρμοζόμενη τάση αντίστροφης πόλωσης είναι πολύ μεγάλη. Λαμβάνοντας υπόψη τη στενή σχέση μεταξύ του M και της αντίστροφης τάσης πόλωσης, ένας εμπειρικός τύπος χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει τη σχέση τους, π.χ.
Στον τύπο, το n είναι ένας εξαρτώμενος χαρακτηριστικός δείκτης θερμοκρασίας-, n=2.5~7; Un είναι η τάση διάσπασης της χιονοστιβάδας, η οποία κυμαίνεται από 70 έως 200 V για διαφορετικά υλικά ημιαγωγών. Το U είναι η αντίστροφη τάση πόλωσης, η οποία γενικά λαμβάνεται ως 80% έως 90% του UgR. Όταν χρησιμοποιείτε ένα APD, είναι απαραίτητο να διασφαλίζετε ότι η τάση λειτουργίας διατηρείται κάτω από την τάση διάσπασης της χιονοστιβάδας για να αποφευχθεί η καταστροφή της συσκευής.
