Die Bedeutung von PIN (Post-Intrinsic-Negativ) besteht darin, dass eine Schicht aus Halbleitermaterial mit einer sehr geringen Dotierungskonzentration (z. B. Si) zwischen Halbleitermaterialien vom P--Typ und N--Typ eingefügt wird. Diese Schicht wird als I (Intrinsic) bezeichnet und als intrinsischer Bereich bezeichnet. Die Struktur von aPIN-Fotodiode(PIN-PD) ist in der linken Abbildung dargestellt. In der Abbildung wird einfallendes Licht aus der P*-Region nicht nur in der Verarmungsregion, sondern auch außerhalb der Verarmungsregion absorbiert. Diese Absorptionen bilden die Diffusionskomponente im Photostrom. Beispielsweise diffundieren Elektronen in der P*-Region zunächst zur linken Grenze der Verarmungsregion und passieren dann die Verarmungsregion, um die N*-Region zu erreichen. In ähnlicher Weise diffundieren Löcher in der N'-Region zur rechten Grenze der Verarmungsregion, bevor sie die Verarmungsregion passieren, um die P*-Region zu erreichen. Der Photostrom im Verarmungsbereich wird als Driftkomponente bezeichnet und seine Ausbreitungszeit hängt hauptsächlich von der Breite des Verarmungsbereichs ab. Offensichtlich ist die Ausbreitungszeit der Diffusionsstromkomponente länger als die der Driftstromkomponente. Dadurch wird die Hinterflanke des Ausgangsstromimpulses des Fotodetektors verlängert und die daraus resultierende Zeitverzögerung wirkt sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit des Fotodetektors aus.
Wenn die Verarmungsregion schmal ist, erreichen die meisten Photonen die N+-Region, bevor sie von der Verarmungsregion absorbiert werden. In diesem Bereich ist das elektrische Feld sehr schwach und kann Elektronen und Löcher nicht trennen, was zu einer relativ geringen Quanteneffizienz führt.
Eine schmalere Verarmungsbereichsbreite *w* führt zu einer größeren Sperrschichtkapazität und einer größeren RC-Zeitkonstante, was sich nachteilig auf die Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit auswirkt.
Unter Berücksichtigung der Driftzeit und der Sperrschichtkapazitätseffekte kann die Bandbreite einer Fotodiode wie folgt ausgedrückt werden:
In der Formel R1ist der Lastwiderstand.
Die obige Analyse zeigt, dass eine Vergrößerung der Breite des Verarmungsbereichs unerlässlich ist.
Wie in der Abbildung oben gezeigt, ist die Breite der I--Region viel größer als die der P+- und N+-Regionen. Daher werden im I--Bereich mehr Photonen absorbiert, was die Quanteneffizienz erhöht und gleichzeitig einen kleinen Diffusionsstrom aufrechterhält. Die Sperrspannung der PIN-Fotodiode kann auf einen kleineren Wert eingestellt werden, da die Dicke ihres Verarmungsbereichs im Wesentlichen durch die Breite des I--Bereichs bestimmt wird.
Natürlich ist ein größerer I-Bereich nicht immer besser. Eine größere Breite (w) führt zu einer längeren Driftzeit für Träger im Verarmungsbereich und begrenzt somit die Bandbreite. Daher ist eine umfassende Betrachtung erforderlich. Da unterschiedliche Halbleitermaterialien unterschiedliche Absorptionskoeffizienten für unterschiedliche Lichtwellenlängen haben, variiert die Breite des intrinsischen Bereichs (I--Bereich). Beispielsweise beträgt die Breite des I--Bereichs einer Si-PIN-Fotodiode etwa 40 mm, während die einer InGaAs-PIN-Fotodiode etwa 4 mm beträgt. Dies bestimmt die unterschiedlichen Bandbreiten und Wellenlängenbereiche von Fotodetektoren aus diesen beiden unterschiedlichen Materialien: Si-PIN-Fotodioden werden im 850-nm-Band verwendet, während InGaAs-PIN-Fotodioden im 1310-nm- und 1550-nm-Band verwendet werden.
(APD)Lawinenfotodiode
Eine APD (Avalanche Photodiode) ist ein hochempfindlicher Fotodetektor, der den Lawineneffekt nutzt, um den Fotostrom zu vervielfachen. Das Prinzip des Lawineneffekts ist wie folgt: Ein einfallendes Signallicht erzeugt erste Elektronen-{1}Loch-Paare in der APD. Aufgrund der hohen Sperrspannung, die an die APD angelegt wird, beschleunigen diese Elektron-{3}}Loch-Paare unter dem Einfluss des elektrischen Feldes und gewinnen dabei erhebliche kinetische Energie. Wenn sie mit neutralen Atomen kollidieren, gewinnen Elektronen im Valenzband der neutralen Atome Energie und springen in das Leitungsband, wodurch neue Elektron-{5}}Loch-Paare entstehen, sogenannte Sekundärelektronen-{6}}Loch-Paare. Diese sekundären Ladungsträger können unter einem starken elektrischen Feld auch mit anderen neutralen Atomen kollidieren, wodurch neue Elektronen-{8}}Loch-Paare entstehen und so den Lawinenprozess auslösen, der neue Ladungsträger erzeugt. Mit anderen Worten: Ein Photon erzeugt letztendlich viele Träger und verstärkt das optische Signal innerhalb der APD. Strukturell liegt der Unterschied zwischen einer APD- und einer PIN-Fotodiode in der Hinzufügung einer zusätzlichen P-Schicht. Die Struktur einer APD ist in Abbildung 3-18 dargestellt. Bei Sperrvorspannung entsteht im PN-Übergang zwischen der I-Schicht und der N*-Schicht ein starkes elektrisches Feld. Sobald das einfallende Signallicht aus der linken P*-Region in die I-Region gelangt, wird es in der I-Region absorbiert, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Die Elektronen im I-Bereich driften schnell zum PN-Übergangsbereich, und das starke elektrische Feld im PN-Übergang führt dazu, dass die Elektronen einen Lawineneffekt erzeugen.
Strukturell liegt der Unterschied zwischen einer APD und einer PIN-Fotodiode in der Hinzufügung einer zusätzlichen Schicht, P. Die Struktur einer APD ist in der rechten Abbildung dargestellt. Bei Sperrvorspannung entsteht im PN-Übergang zwischen den I- und N+-Schichten ein starkes elektrisches Feld. Sobald das einfallende Signallicht aus der linken P+-Region in die I-Region eintritt, wird es in der I-Region absorbiert und erzeugt Elektron-{5}-Loch-Paare. Die Elektronen driften schnell zum PN-Übergangsbereich und das starke elektrische Feld im PN-Übergang verursacht einen Lawineneffekt.
Im Vergleich zu PIN-Fotodioden wird der Fotostrom intern durch die APD verstärkt, wodurch durch externe Schaltkreise verursachtes Rauschen vermieden wird. Aus einer statistischen Durchschnittsperspektive entspricht dies unter der Annahme, dass ein Photon M Träger erzeugt, dem Verhältnis des nach der APD-Lawine ausgegebenen Photostroms I zum anfänglichen Photostrom I vor der Multiplikation.
In der Formel wird M als Multiplikationsfaktor bezeichnet.
Der Multiplikationsfaktor hängt mit der Ionisierungsrate der Ladungsträger zusammen, die sich auf die durchschnittliche Anzahl der pro Driftentfernungseinheit erzeugten Elektron-{0}}Loch-Paare bezieht. Die Elektronenionisationsrate und die Lochionisationsrate sind unterschiedlich und werden mit ₀ bzw. ₂ bezeichnet. Sie hängen mit Faktoren wie der Sperrspannung, der Breite des Verarmungsbereichs und der Dotierungskonzentration zusammen und werden mit ₀ bezeichnet.
In der Formel ist k der Ionisationskoeffizient, der ein Maß für die Leistung eines Fotodetektors ist.
Die Auswirkung der Ionisationsrate auf M kann durch die folgende Formel angegeben werden:
Bei=0 nehmen nur Elektronen am Lawinenprozess teil, M=e^(-ω), und der Gewinn steigt exponentiell mit ω. Wenn ω=1 und -1, gemäß Gleichung (3-26), M → ∞, kommt es zum Lawinendurchbruch. Typischerweise liegt der Wert von M zwischen 10 und 500. Ein Lawinendurchbruch in einer APD tritt auf, weil die angelegte Sperrvorspannung zu groß ist. Angesichts der engen Beziehung zwischen M und der Sperrvorspannung wird üblicherweise eine empirische Formel verwendet, um ihre Beziehung zu beschreiben, d. h.:
In der Formel ist n ein temperaturabhängiger charakteristischer Index, n=2.5~7; Un ist die Lawinendurchbruchspannung, die für verschiedene Halbleitermaterialien zwischen 70 und 200 V variiert; U ist die Sperrvorspannung, die im Allgemeinen mit 80 % bis 90 % von UgR angenommen wird. Bei der Verwendung eines APD muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die Betriebsspannung unter der Lawinendurchbruchspannung bleibt, um eine Beschädigung des Geräts zu vermeiden.
