Значение PIN (Post-Intrinsic-Negative) заключается в том, что слой полупроводникового материала с очень низкой концентрацией легирования (например, Si) вставляется между полупроводниковыми материалами типа P- и N-типа. Этот слой обозначается как I (Внутренний) и называется внутренней областью. СтруктураPIN-фотодиод(PIN-PD) показан на рисунке слева. На рисунке после того, как падающий свет проникает из области P*, он поглощается не только в области обеднения, но и за пределами области обеднения. Эти поглощения образуют диффузионную составляющую фототока. Например, электроны в области P* сначала диффундируют к левой границе области обеднения, а затем проходят через область обеднения и достигают области N*. Аналогичным образом, дырки в области N' диффундируют к правой границе области обеднения, прежде чем пройти через область обеднения и достичь области P*. Фототок в обедненной области называется дрейфовой составляющей, и время его распространения в основном зависит от ширины обедненной области. Очевидно, что время распространения диффузионной компоненты тока больше, чем время распространения дрейфовой компоненты тока. В результате задний фронт импульса выходного тока фотодетектора удлиняется, и возникающая временная задержка будет влиять на скорость срабатывания фотодетектора.
Если область истощения узкая, большинство фотонов достигнут области N+, прежде чем будут поглощены областью истощения. В этой области электрическое поле очень слабое и не может разделить электроны и дырки, что приводит к относительно низкой квантовой эффективности.
Более узкая ширина области истощения *w* приводит к увеличению емкости перехода и увеличению постоянной времени RC, что отрицательно сказывается на высокой-скорости передачи данных.
Учитывая время дрейфа и влияние емкости перехода, полосу пропускания фотодиода можно выразить как:
В формуле Р1это сопротивление нагрузки.
Приведенный выше анализ показывает, что увеличение ширины области истощения имеет важное значение.
Как показано на рисунке выше, ширина области I- намного больше, чем ширина областей P+ и N+. Следовательно, больше фотонов поглощается в области I-, увеличивая квантовую эффективность при сохранении небольшого диффузионного тока. Напряжение обратного смещения PIN-фотодиода можно установить на меньшее значение, поскольку толщина его обедненной области по существу определяется шириной области I-.
Конечно, более широкий регион-не всегда лучше. Большая ширина (w) приводит к увеличению времени дрейфа несущих в области истощения, тем самым ограничивая полосу пропускания. Поэтому необходимо комплексное рассмотрение. Поскольку разные полупроводниковые материалы имеют разные коэффициенты поглощения для разных длин волн света, ширина собственной области (I-области) варьируется. Например, ширина области I- PIN-фотодиода Si составляет около 40 мм, а у PIN-фотодиода InGaAs — около 4 мм. Это определяет различную полосу пропускания и диапазоны длин волн фотодетекторов, изготовленных из этих двух разных материалов: фотодиоды Si PIN используются в диапазоне 850 нм, а фотодиоды PIN InGaAs используются в диапазонах 1310 нм и 1550 нм.
(APD)Лавинный фотодиод
APD (лавинный фотодиод) — это высокочувствительный фотодетектор, который использует лавинный эффект для увеличения фототока. Принцип лавинного эффекта заключается в следующем: падающий сигнальный свет генерирует начальные электронно-дырочные пары в ЛФД. Благодаря высокому напряжению обратного смещения, приложенному к ЛФД, эти электронно-дырочные пары ускоряются под действием электрического поля, приобретая значительную кинетическую энергию. Когда они сталкиваются с нейтральными атомами, электроны в валентной зоне нейтральных атомов получают энергию и перепрыгивают в зону проводимости, создавая таким образом новые пары электронов-дырок, называемые вторичными парами электронов-дырок. Эти вторичные носители могут также сталкиваться с другими нейтральными атомами под действием сильного электрического поля, генерируя новые электронно-дырочные пары, вызывая тем самым лавинный процесс, в результате которого рождаются новые носители. Другими словами, один фотон в конечном итоге генерирует множество несущих, усиливая оптический сигнал внутри ЛФД. Конструктивно отличие ЛФД от PIN-фотодиода заключается в добавлении дополнительного P-слоя. Структура APD показана на рисунке 3-18. При обратном смещении в PN-переходе, расположенном между слоем I и слоем N*, существует сильное электрическое поле. Как только падающий сигнальный свет попадает в область I из левой области P*, он поглощается в области I, образуя пары электрон-дырка. Электроны в I-области быстро дрейфуют в область PN-перехода, а сильное электрическое поле в PN-переходе заставляет электроны создавать лавинный эффект.
Конструктивно разница между ЛФД и PIN-фотодиодом заключается в добавлении дополнительного слоя P. Структура ЛФД показана на рисунке справа. При обратном смещении в PN-переходе, расположенном между слоями I и N+, существует сильное электрическое поле. Как только падающий сигнальный свет попадает в область I из левой области P+, он поглощается в области I, образуя пары электронов-дырок. Электроны быстро дрейфуют в область PN-перехода, а сильное электрическое поле в PN-переходе вызывает лавинный эффект.
По сравнению с PIN-фотодиодами фототок усиливается внутри ЛФД, что позволяет избежать шума, вносимого внешней схемой. Со статистической средней точки зрения, предполагая, что один фотон генерирует M носителей, это равно отношению выходного фототока I после лавины ЛФД к начальному фототоку I перед умножением.
В формуле М называется коэффициентом умножения.
Коэффициент умножения связан со скоростью ионизации носителей заряда, которая относится к среднему числу электронно-дырочных пар, генерируемых на единицу расстояния дрейфа. Скорость ионизации электронов и скорость ионизации дырок различны и обозначаются ₀ и ₂ соответственно. Они связаны с такими факторами, как напряжение обратного смещения, ширина области обеднения и концентрация легирования, и обозначаются как ₀.
В формуле k — коэффициент ионизации, который является мерой производительности фотодетектора.
Влияние скорости ионизации на M можно выразить следующей формулой:
При=0 в лавинном процессе участвуют только электроны, M=e^(-ω), и коэффициент усиления возрастает экспоненциально с ростом ω. При ω= 1 и -1, согласно уравнению (3-26), M → ∞, происходит лавинный пробой. Обычно значение M находится в диапазоне от 10 до 500. Лавинный пробой в ЛФД происходит из-за того, что приложенное напряжение обратного смещения слишком велико. Учитывая тесную связь между M и напряжением обратного смещения, для описания их взаимосвязи обычно используется эмпирическая формула, т.е.:
В формуле n — зависящий от температуры-характеристический показатель, n=2.5~7; Un – напряжение лавинного пробоя, которое варьируется от 70 до 200 В для разных полупроводниковых материалов; U — напряжение обратного смещения, которое обычно принимается равным 80–90 % UgR. При использовании ЛФД важно следить за тем, чтобы рабочее напряжение поддерживалось ниже напряжения лавинного пробоя, чтобы избежать повреждения устройства.
