Maksud PIN (Post-Intrinsik-Negatif) ialah lapisan bahan semikonduktor dengan kepekatan doping yang sangat rendah (seperti Si) dimasukkan antara bahan semikonduktor jenis P-dan N-jenis. Lapisan ini dilambangkan sebagai I (Intrinsik) dan dipanggil kawasan intrinsik. Struktur aPIN fotodiod(PIN-PD) ditunjukkan dalam rajah kiri. Dalam rajah, selepas cahaya kejadian masuk dari kawasan P*, ia diserap bukan sahaja di kawasan penyusutan tetapi juga di luar kawasan penyusutan. Penyerapan ini membentuk komponen resapan dalam arus foto. Sebagai contoh, elektron di rantau P* mula-mula meresap ke sempadan kiri kawasan penyusutan dan kemudian melalui kawasan penyusutan untuk mencapai rantau N*. Begitu juga, lubang di rantau N' meresap ke sempadan kanan kawasan penyusutan sebelum melalui kawasan penyusutan untuk mencapai rantau P*. Arus foto di kawasan penyusutan dipanggil komponen hanyut, dan masa penyebarannya bergantung terutamanya pada lebar kawasan penyusutan. Jelas sekali, masa perambatan komponen arus resapan adalah lebih lama daripada komponen arus hanyut. Akibatnya, pinggir belakang nadi arus keluaran pengesan foto dipanjangkan, dan kelewatan masa yang terhasil akan menjejaskan kelajuan tindak balas pengesan foto.
Jika kawasan penyusutan adalah sempit, kebanyakan foton akan mencapai kawasan N+ sebelum diserap oleh kawasan penyusutan. Di rantau ini, medan elektrik sangat lemah dan tidak dapat memisahkan elektron dan lubang, menghasilkan kecekapan kuantum yang agak rendah.
Lebar kawasan penyusutan yang lebih sempit *w* menghasilkan kapasitansi simpang yang lebih besar dan pemalar masa RC yang lebih besar, yang memudaratkan penghantaran data-tinggi.
Memandangkan masa hanyut dan kesan kapasitansi simpang, lebar jalur fotodiod boleh dinyatakan sebagai:
Dalam formula, R1ialah rintangan beban.
Analisis di atas menunjukkan bahawa meningkatkan lebar kawasan penyusutan adalah penting.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas, lebar kawasan I-jauh lebih besar daripada kawasan P+ dan N+. Oleh itu, lebih banyak foton diserap dalam kawasan I-, meningkatkan kecekapan kuantum sambil mengekalkan arus resapan yang kecil. Voltan pincang songsang bagi fotodiod PIN boleh ditetapkan kepada nilai yang lebih kecil kerana ketebalan kawasan penyusutannya pada asasnya ditentukan oleh lebar kawasan I-.
Sudah tentu, wilayah I-yang lebih luas tidak selalunya lebih baik. Lebar yang lebih besar (w) menghasilkan masa hanyut yang lebih lama untuk pembawa di kawasan penyusutan, sekali gus mengehadkan lebar jalur. Oleh itu, pertimbangan yang menyeluruh adalah perlu. Memandangkan bahan semikonduktor yang berbeza mempunyai pekali serapan yang berbeza untuk panjang gelombang cahaya yang berbeza, lebar kawasan intrinsik (wilayah I-) berbeza-beza. Sebagai contoh, lebar I-rantau bagi fotodiod Si PIN adalah lebih kurang 40 mm, manakala lebar kawasan fotodiod InGaAs adalah lebih kurang 4 mm. Ini menentukan lebar jalur yang berbeza dan julat panjang gelombang pengesan foto yang dibuat daripada dua bahan berbeza ini: Fotodiod Si PIN digunakan dalam jalur 850 nm, manakala fotodiod PIN InGaAs digunakan dalam jalur 1310 nm dan 1550 nm.
(APD)Fotodiod runtuhan salji
APD (Avalanche Photodiode) ialah pengesan foto yang sangat sensitif yang menggunakan kesan runtuhan salji untuk mendarabkan arus foto. Prinsip kesan runtuhan salji adalah seperti berikut: Lampu isyarat kejadian menjana pasangan lubang-elektron awal dalam APD. Disebabkan oleh voltan pincang songsang yang tinggi digunakan pada APD, pasangan lubang-elektron ini memecut di bawah pengaruh medan elektrik, memperoleh tenaga kinetik yang ketara. Apabila ia berlanggar dengan atom neutral, elektron dalam jalur valens atom neutral memperoleh tenaga dan melompat ke jalur pengaliran, dengan itu menghasilkan pasangan lubang-elektron baharu, dipanggil pasangan lubang elektron-sekunder. Pembawa sekunder ini juga boleh berlanggar dengan atom neutral lain di bawah medan elektrik yang kuat, menghasilkan pasangan lubang-elektron baharu, sekali gus mendorong proses runtuhan salji yang menghasilkan pembawa baharu. Dalam erti kata lain, satu foton akhirnya menghasilkan banyak pembawa, menguatkan isyarat optik dalam APD. Secara struktur, perbezaan antara APD dan fotodiod PIN terletak pada penambahan lapisan P tambahan. Struktur APD ditunjukkan dalam Rajah 3-18. Apabila dipincang songsang, medan elektrik yang kuat wujud dalam simpang PN yang diapit antara lapisan I dan lapisan N*. Sebaik sahaja lampu isyarat kejadian memasuki kawasan I dari kawasan P* kiri, ia diserap di rantau I untuk menjana pasangan lubang elektron. Elektron di kawasan I dengan cepat hanyut ke kawasan simpang PN, dan medan elektrik yang kuat di simpang PN menyebabkan elektron menghasilkan kesan longsoran.
Secara struktur, perbezaan antara APD dan fotodiod PIN terletak pada penambahan lapisan tambahan, P. Struktur APD ditunjukkan dalam rajah yang betul. Di bawah pincang songsang, medan elektrik yang kuat wujud di persimpangan PN yang diapit di antara lapisan I dan N+. Sebaik sahaja lampu isyarat tuju memasuki kawasan I dari rantau P+ kiri, ia diserap dalam rantau I, menghasilkan pasangan lubang-elektron. Elektron dengan cepat hanyut ke kawasan persimpangan PN, dan medan elektrik yang kuat di persimpangan PN menyebabkan kesan runtuhan salji.
Berbanding dengan fotodiod PIN, arus foto dikuatkan secara dalaman oleh APD, dengan itu mengelakkan hingar yang diperkenalkan oleh litar luaran. Dari perspektif purata statistik, dengan mengandaikan satu foton menjana pembawa M, ini adalah sama dengan nisbah keluaran arus foto I selepas runtuhan APD kepada arus foto awal I sebelum pendaraban.
Dalam formula, M dipanggil faktor pendaraban.
Faktor pendaraban adalah berkaitan dengan kadar pengionan pembawa cas, yang merujuk kepada purata bilangan pasangan lubang-elektron yang dijana setiap unit jarak hanyut. Kadar pengionan elektron dan kadar pengionan lubang adalah berbeza, masing-masing dilambangkan dengan ₀ dan ₂. Ia berkaitan dengan faktor seperti voltan pincang songsang, lebar kawasan penyusutan, dan kepekatan doping, dan dilambangkan sebagai ₀.
Dalam formula, k ialah pekali pengionan, yang merupakan ukuran prestasi pengesan foto.
Kesan kadar pengionan ke atas M boleh diberikan dengan formula berikut:
Apabila=0, hanya elektron mengambil bahagian dalam proses runtuhan salji, M=e^(-ω), dan keuntungan meningkat secara eksponen dengan ω. Apabila ω=1 dan -1, mengikut persamaan (3-26), M → ∞, dan pecahan salji berlaku. Biasanya, nilai M berjulat dari 10 hingga 500. Kerosakan salji dalam APD berlaku kerana voltan pincang songsang yang digunakan terlalu besar. Memandangkan hubungan rapat antara M dan voltan pincang songsang, formula empirik biasanya digunakan untuk menggambarkan hubungan mereka, iaitu:
Dalam formula, n ialah indeks ciri bergantung -suhu, n=2.5~7; Un ialah voltan pecahan runtuhan salji, yang berbeza dari 70 hingga 200V untuk bahan semikonduktor yang berbeza; U ialah voltan pincang songsang, yang biasanya diambil sebagai 80% hingga 90% daripada UgR. Apabila menggunakan APD, adalah penting untuk memastikan bahawa voltan kendalian dikekalkan di bawah voltan kerosakan runtuhan salji untuk mengelakkan kerosakan peranti.
