Pomen PIN (Post-Intrinsic-Negative) je, da je plast polprevodniškega materiala z zelo nizko koncentracijo dopinga (kot je Si) vstavljena med polprevodniške materiale tipa P-in N-tipa. Ta plast je označena kot I (intrinzična) in se imenuje intrinzična regija. Struktura aPIN fotodioda(PIN-PD) je prikazan na levi sliki. Na sliki, ko vpadna svetloba vstopi iz območja P*, se absorbira ne samo v območju izčrpavanja, ampak tudi zunaj območja izčrpavanja. Te absorpcije tvorijo difuzijsko komponento v fototoku. Na primer, elektroni v območju P* najprej difundirajo do leve meje območja izčrpavanja in nato preidejo skozi območje izčrpavanja, da dosežejo območje N*. Podobno luknje v območju N' difundirajo do desne meje območja izčrpavanja, preden gredo skozi območje izčrpavanja in dosežejo območje P*. Fototok v osiromašenem območju se imenuje komponenta odnašanja, njegov čas širjenja pa je v glavnem odvisen od širine izčrpanega območja. Očitno je čas širjenja komponente difuzijskega toka daljši od časa komponente odnašajočega toka. Posledično se zadnji rob impulza izhodnega toka fotodetektorja podaljša, posledična časovna zakasnitev pa bo vplivala na hitrost odziva fotodetektorja.
Če je osiromašeno območje ozko, bo večina fotonov dosegla območje N+, preden jih absorbira osiromašeno območje. V tem območju je električno polje zelo šibko in ne more ločiti elektronov in lukenj, kar ima za posledico relativno nizko kvantno učinkovitost.
Ožja širina območja osiromašenja *w* ima za posledico večjo kapacitivnost spoja in večjo časovno konstanto RC, kar škoduje visoko-hitrosti prenosa podatkov.
Upoštevajoč čas odmika in učinke spojne kapacitivnosti lahko pasovno širino fotodiode izrazimo kot:
V formuli je R1je odpornost na obremenitev.
Zgornja analiza dokazuje, da je povečanje širine območja izčrpavanja bistveno.
Kot je prikazano na zgornji sliki, je širina regije I- veliko večja od širine regij P+ in N+. Zato se v območju I- absorbira več fotonov, s čimer se poveča kvantna učinkovitost ob ohranjanju majhnega difuzijskega toka. Povratno prednapetost fotodiode PIN je mogoče nastaviti na manjšo vrednost, ker je debelina njene osiromašene regije v bistvu določena s širino I-regije.
Seveda širša I-regija ni vedno boljša. Večja širina (w) ima za posledico daljši čas odnašanja nosilcev v območju izčrpanosti, kar omejuje pasovno širino. Zato je nujna celovita obravnava. Ker imajo različni polprevodniški materiali različne absorpcijske koeficiente za različne valovne dolžine svetlobe, se širina intrinzične regije (I-regije) spreminja. Na primer, širina območja I- fotodiode Si PIN je približno 40 mm, medtem ko je širina fotodiode PIN InGaAs približno 4 mm. To določa različne pasovne širine in obsege valovnih dolžin fotodetektorjev, izdelanih iz teh dveh različnih materialov: fotodiode Si PIN se uporabljajo v pasu 850 nm, fotodiode InGaAs PIN pa se uporabljajo v pasovih 1310 nm in 1550 nm.
(APD)Lavinska fotodioda
APD (lavinska fotodioda) je zelo občutljiv fotodetektor, ki uporablja lavinski učinek za pomnoževanje fototoka. Načelo lavinskega učinka je naslednje: vpadna signalna svetloba ustvari začetne pare elektronov-lukenj v APD. Zaradi visoke povratne prednapetosti, ki se uporablja za APD, se ti pari elektronskih - lukenj pospešijo pod vplivom električnega polja in pridobijo znatno kinetično energijo. Ko trčijo z nevtralnimi atomi, elektroni v valenčnem pasu nevtralnih atomov pridobijo energijo in skočijo v prevodni pas ter tako ustvarijo nove pare elektronskih-lukenj, imenovane pari sekundarnih elektronskih-lukenj. Ti sekundarni nosilci lahko tudi trčijo z drugimi nevtralnimi atomi pod močnim električnim poljem, pri čemer generirajo nove pare elektronskih - lukenj in tako sprožijo plazoviti proces, ki proizvaja nove nosilce. Z drugimi besedami, en foton na koncu ustvari veliko nosilcev, ki ojačajo optični signal znotraj APD. Strukturno je razlika med fotodiodo APD in PIN v dodatku dodatne plasti P. Struktura APD je prikazana na sliki 3-18. Ko je vzvratno prednapet, obstaja močno električno polje v PN spoju, stisnjenem med plastjo I in plastjo N*. Ko vpadna signalna svetloba vstopi v območje I iz levega območja P*, se absorbira v območju I, da ustvari pare elektron-luknja. Elektroni v območju I hitro odplavajo v območje PN spoja in močno električno polje v PN spoju povzroči, da elektroni povzročijo učinek plazu.
Strukturno je razlika med APD in fotodiodo PIN v dodatku dodatne plasti, P. Struktura APD je prikazana na desni sliki. Pod obratno prednapetostjo obstaja močno električno polje v PN spoju, stisnjenem med plasti I in N+. Ko vpadna signalna svetloba vstopi v območje I iz levega območja P+, se absorbira v območju I, pri čemer nastanejo pari elektronskih - lukenj. Elektroni hitro odplavajo v območje PN spoja in močno električno polje v PN spoju povzroči učinek plazu.
V primerjavi s fotodiodami PIN se fototok interno ojača z APD, s čimer se izognemo šumu, ki ga povzroča zunanje vezje. Z vidika statističnega povprečja, ob predpostavki, da en foton ustvari M nosilcev, je to enako razmerju fototoka I, ki nastane po APD plazu, in začetnega fototoka I pred množenjem.
V formuli se M imenuje faktor množenja.
Množilni faktor je povezan s stopnjo ionizacije nosilcev naboja, ki se nanaša na povprečno število elektronskih -parov lukenj, ustvarjenih na enoto razdalje odnašanja. Stopnja ionizacije elektronov in stopnja ionizacije lukenj sta različni, označeni z ₀ oziroma ₂. Povezani so z dejavniki, kot so povratna prednapetost, širina območja osiromašenja in koncentracija dopinga, in so označeni kot ₀.
V formuli je k ionizacijski koeficient, ki je merilo delovanja fotodetektorja.
Učinek stopnje ionizacije na M je mogoče podati z naslednjo formulo:
Ko je=0, samo elektroni sodelujejo v plazovitem procesu, M=e^(-ω), dobiček pa eksponentno narašča z ω. Ko je ω=1 in -1, v skladu z enačbo (3-26), M → ∞ in pride do plazovite zlome. Običajno se vrednost M giblje od 10 do 500. Do plazovite okvare APD pride, ker je uporabljena povratna prednapetost prevelika. Glede na tesno povezavo med M in povratno prednapetostjo se za opis njunega razmerja običajno uporablja empirična formula, tj.
V formuli je n temperaturno-odvisen karakterističen indeks, n=2.5~7; Un je lavinska prebojna napetost, ki se za različne polprevodniške materiale spreminja od 70 do 200 V; U je povratna prednapetost, ki se običajno šteje za 80 % do 90 % UgR. Pri uporabi APD je bistveno zagotoviti, da je delovna napetost pod napetostjo plazovitega preboja, da preprečite poškodbe naprave.
