Semnificația PIN (Post-Intrinsec-Negativ) este că un strat de material semiconductor cu o concentrație de dopaj foarte scăzută (cum ar fi Si) este inserat între materialele semiconductoare de tip P- și de tip N-. Acest strat este notat ca I (intrinsec) și se numește regiune intrinsecă. Structura aFotodioda PIN(PIN-PD) este afișat în figura din stânga. În figură, după ce lumina incidentă intră din regiunea P*, este absorbită nu numai în regiunea de epuizare, ci și în afara regiunii de epuizare. Aceste absorbții formează componenta de difuzie în fotocurent. De exemplu, electronii din regiunea P* difuzează mai întâi la limita stângă a regiunii de epuizare și apoi trec prin regiunea de epuizare pentru a ajunge în regiunea N*. În mod similar, găurile din regiunea N’ difuzează la limita dreaptă a regiunii de epuizare înainte de a trece prin regiunea de epuizare pentru a ajunge în regiunea P*. Fotocurentul din regiunea de epuizare se numește componentă de deriva, iar timpul de propagare a acestuia depinde în principal de lățimea regiunii de epuizare. Evident, timpul de propagare al componentei curentului de difuzie este mai mare decât cel al componentei curentului de deriva. Ca rezultat, marginea de fugă a impulsului de curent de ieșire al fotodetectorului este prelungită, iar întârzierea rezultată va afecta viteza de răspuns a fotodetectorului.
Dacă regiunea de epuizare este îngustă, majoritatea fotonilor vor ajunge în regiunea N+ înainte de a fi absorbiți de regiunea de epuizare. În această regiune, câmpul electric este foarte slab și nu poate separa electronii și găurile, rezultând o eficiență cuantică relativ scăzută.
O lățime mai îngustă a regiunii de epuizare *w* are ca rezultat o capacitate de joncțiune mai mare și o constantă de timp RC mai mare, ceea ce este dăunător pentru transmiterea de date cu viteză mare-.
Luând în considerare timpul de deriva și efectele capacității de joncțiune, lățimea de bandă a unei fotodiode poate fi exprimată astfel:
În formulă, R1este rezistența la sarcină.
Analiza de mai sus demonstrează că creșterea lățimii regiunii de epuizare este esențială.
După cum se arată în figura de mai sus, lățimea regiunii I-este mult mai mare decât cea a regiunilor P+ și N+. Prin urmare, mai mulți fotoni sunt absorbiți în regiunea I-, crescând eficiența cuantică, menținând în același timp un curent de difuzie mic. Tensiunea de polarizare inversă a fotodiodei PIN poate fi setată la o valoare mai mică, deoarece grosimea regiunii sale de epuizare este determinată în esență de lățimea regiunii I-.
Desigur, o regiune I-mai extinsă nu este întotdeauna mai bună. O lățime mai mare (w) are ca rezultat un timp de deriva mai lung pentru purtătorii din regiunea de epuizare, limitând astfel lățimea de bandă. Prin urmare, este necesară o analiză cuprinzătoare. Deoarece diferite materiale semiconductoare au coeficienți de absorbție diferiți pentru lungimi de undă diferite de lumină, lățimea regiunii intrinseci (regiunea I-) variază. De exemplu, lățimea regiunii I-a unei fotodiode Si PIN este de aproximativ 40 mm, în timp ce cea a unei fotodiode PIN InGaAs este de aproximativ 4 mm. Aceasta determină diferite lățimi de bandă și intervale de lungimi de undă ale fotodetectorilor fabricați din aceste două materiale diferite: fotodiodele Si PIN sunt utilizate în banda de 850 nm, în timp ce fotodiodele PIN InGaAs sunt utilizate în benzile de 1310 nm și 1550 nm.
(APD) Fotodiodă avalanșă
Un APD (Avalanche Photodiode) este un fotodetector foarte sensibil care utilizează efectul de avalanșă pentru a multiplica fotocurent. Principiul efectului de avalanșă este următorul: un semnal luminos incident generează perechi inițiale de găuri de electroni-în APD. Datorită tensiunii de polarizare inversă ridicată aplicată APD, aceste perechi de electroni-găuri accelerează sub influența câmpului electric, câștigând energie cinetică semnificativă. Când se ciocnesc cu atomii neutri, electronii din banda de valență a atomilor neutri câștigă energie și sar la banda de conducție, generând astfel noi perechi de electroni-gauri, numite perechi de electroni-găuri secundare. Acești purtători secundari se pot ciocni și cu alți atomi neutri sub un câmp electric puternic, generând noi perechi de electroni-găuri, inducând astfel procesul de avalanșă care produce noi purtători. Cu alte cuvinte, un foton generează în cele din urmă mulți purtători, amplificând semnalul optic în APD. Din punct de vedere structural, diferența dintre o fotodiodă APD și o fotodiodă PIN constă în adăugarea unui strat P suplimentar. Structura unui APD este prezentată în Figura 3-18. Când este polarizat invers, există un câmp electric puternic în joncțiunea PN cuprinsă între stratul I și stratul N*. Odată ce lumina de semnal incidentă intră în regiunea I din regiunea P* stângă, este absorbită în regiunea I pentru a genera perechi electron-gaură. Electronii din regiunea I se deplasează rapid spre regiunea joncțiunii PN, iar câmpul electric puternic din joncțiunea PN face ca electronii să producă un efect de avalanșă.
Din punct de vedere structural, diferența dintre o fotodiodă APD și o fotodiodă PIN constă în adăugarea unui strat suplimentar, P. Structura unui APD este prezentată în figura din dreapta. Sub polarizare inversă, există un câmp electric puternic în joncțiunea PN cuprinsă între straturile I și N+. Odată ce lumina de semnal incidentă intră în regiunea I din regiunea P+ din stânga, este absorbită în regiunea I, generând perechi de electroni-gauri. Electronii se deplasează rapid spre regiunea joncțiunii PN, iar câmpul electric puternic din joncțiunea PN provoacă un efect de avalanșă.
În comparație cu fotodiodele PIN, fotocurentul este amplificat intern de către APD, evitându-se astfel zgomotul introdus de circuitele externe. Dintr-o perspectivă medie statistică, presupunând că un foton generează M purtători, acesta este egal cu raportul dintre ieșirea fotocurentului I după avalanșă APD și fotocurentului I inițial înainte de multiplicare.
În formulă, M se numește factor de multiplicare.
Factorul de multiplicare este legat de rata de ionizare a purtătorilor de sarcină, care se referă la numărul mediu de perechi de electroni-găuri generate pe unitatea de distanță de deriva. Rata de ionizare a electronilor și rata de ionizare a găurilor sunt diferite, notate cu ₀ și, respectiv, ₂. Ele sunt legate de factori precum tensiunea de polarizare inversă, lățimea regiunii de epuizare și concentrația de dopaj și sunt notate cu ₀.
În formulă, k este coeficientul de ionizare, care este o măsură a performanței unui fotodetector.
Efectul vitezei de ionizare asupra M poate fi dat prin următoarea formulă:
Când=0, numai electronii participă la procesul de avalanșă, M=e^(-ω), iar câștigul crește exponențial cu ω. Când ω=1 și -1, conform ecuației (3-26), M → ∞, și are loc defalcarea avalanșei. De obicei, valoarea lui M variază de la 10 la 500. Defectarea avalanșă într-un APD are loc deoarece tensiunea de polarizare inversă aplicată este prea mare. Având în vedere relația strânsă dintre M și tensiunea de polarizare inversă, o formulă empirică este folosită în mod obișnuit pentru a descrie relația lor, adică:
În formulă, n este un indice caracteristic dependent de temperatură, n=2.5~7; Un este tensiunea de rupere a avalanșei, care variază de la 70 la 200V pentru diferite materiale semiconductoare; U este tensiunea de polarizare inversă, care este în general luată ca 80% până la 90% din UgR. Când utilizați un APD, este esențial să vă asigurați că tensiunea de funcționare este menținută sub tensiunea de avalanșă pentru a evita deteriorarea dispozitivului.
