El significado de PIN (Post-Intrínseco-Negativo) es que se inserta una capa de material semiconductor con una concentración de dopaje muy baja (como Si) entre los materiales semiconductores de tipo P-y N-. Esta capa se denomina I (intrínseca) y se denomina región intrínseca. La estructura de unFotodiodo PIN(PIN-PD) se muestra en la figura de la izquierda. En la figura, después de que la luz incidente ingresa desde la región P*, se absorbe no solo en la región de agotamiento sino también fuera de la región de agotamiento. Estas absorciones forman el componente de difusión en la fotocorriente. Por ejemplo, los electrones en la región P* primero se difunden hacia el límite izquierdo de la región de agotamiento y luego pasan a través de la región de agotamiento para llegar a la región N*. De manera similar, los huecos en la región N' se difunden hasta el límite derecho de la región de agotamiento antes de pasar a través de la región de agotamiento para alcanzar la región P*. La fotocorriente en la región de agotamiento se denomina componente de deriva y su tiempo de propagación depende principalmente del ancho de la región de agotamiento. Obviamente, el tiempo de propagación de la componente de la corriente de difusión es mayor que el de la componente de la corriente de deriva. Como resultado, el flanco posterior del pulso de corriente de salida del fotodetector se alarga y el retraso de tiempo resultante afectará la velocidad de respuesta del fotodetector.
Si la región de agotamiento es estrecha, la mayoría de los fotones alcanzarán la región N+ antes de ser absorbidos por la región de agotamiento. En esta región, el campo eléctrico es muy débil y no puede separar electrones y huecos, lo que da como resultado una eficiencia cuántica relativamente baja.
Un ancho de región de agotamiento más estrecho *w* da como resultado una capacitancia de unión más grande y una constante de tiempo RC más grande, lo que es perjudicial para la transmisión de datos de alta-velocidad.
Teniendo en cuenta el tiempo de deriva y los efectos de la capacitancia de la unión, el ancho de banda de un fotodiodo se puede expresar como:
En la fórmula, R1es la resistencia de carga.
El análisis anterior demuestra que es esencial aumentar el ancho de la región de agotamiento.
Como se muestra en la figura anterior, el ancho de la región I-es mucho mayor que el de las regiones P+ y N+. Por lo tanto, se absorben más fotones en la región I-, lo que aumenta la eficiencia cuántica y al mismo tiempo mantiene una pequeña corriente de difusión. El voltaje de polarización inversa del fotodiodo PIN se puede establecer en un valor menor porque el espesor de su región de agotamiento está determinado esencialmente por el ancho de la región I-.
Por supuesto, una I-región más amplia no siempre es mejor. Un ancho mayor (w) da como resultado un tiempo de deriva más largo para los portadores en la región de agotamiento, limitando así el ancho de banda. Por lo tanto, es necesaria una consideración integral. Dado que diferentes materiales semiconductores tienen diferentes coeficientes de absorción para diferentes longitudes de onda de luz, el ancho de la región intrínseca (I-región) varía. Por ejemplo, el ancho de la región I- de un fotodiodo PIN de Si es de aproximadamente 40 mm, mientras que el de un fotodiodo PIN de InGaAs es de aproximadamente 4 mm. Esto determina los diferentes anchos de banda y rangos de longitud de onda de los fotodetectores fabricados con estos dos materiales diferentes: los fotodiodos PIN de Si se utilizan en la banda de 850 nm, mientras que los fotodiodos PIN de InGaAs se utilizan en las bandas de 1310 nm y 1550 nm.
(APD) Fotodiodo de avalancha
Un APD (fotodiodo de avalancha) es un fotodetector altamente sensible que utiliza el efecto de avalancha para multiplicar la fotocorriente. El principio del efecto de avalancha es el siguiente: una luz de señal incidente genera pares iniciales de electrones-huecos en el APD. Debido al alto voltaje de polarización inversa aplicado al APD, estos pares de huecos de electrones-se aceleran bajo la influencia del campo eléctrico, ganando una energía cinética significativa. Cuando chocan con átomos neutros, los electrones en la banda de valencia de los átomos neutros ganan energía y saltan a la banda de conducción, generando así nuevos pares de electrones-huecos, llamados pares de electrones-huecos secundarios. Estos portadores secundarios también pueden colisionar con otros átomos neutros bajo un fuerte campo eléctrico, generando nuevos pares de electrones-huecos, induciendo así el proceso de avalancha que produce nuevos portadores. En otras palabras, un fotón genera en última instancia muchos portadores, amplificando la señal óptica dentro del APD. Estructuralmente, la diferencia entre un fotodiodo APD y un PIN radica en la adición de una capa P adicional. La estructura de una APD se muestra en la Figura 3-18. Cuando se polariza inversamente, existe un fuerte campo eléctrico en la unión PN intercalada entre la capa I y la capa N*. Una vez que la luz de señal incidente ingresa a la región I desde la región P* izquierda, es absorbida en la región I para generar pares electrón-hueco. Los electrones en la región I se desplazan rápidamente hacia la región de unión PN, y el fuerte campo eléctrico en la unión PN hace que los electrones produzcan un efecto de avalancha.
Estructuralmente, la diferencia entre un APD y un fotodiodo PIN radica en la adición de una capa adicional, P. La estructura de un APD se muestra en la figura de la derecha. Bajo polarización inversa, existe un fuerte campo eléctrico en la unión PN intercalada entre las capas I y N+. Una vez que la luz de señal incidente ingresa a la región I desde la región P+ izquierda, es absorbida en la región I, generando pares de electrones-huecos. Los electrones se desplazan rápidamente hacia la región de la unión PN y el fuerte campo eléctrico en la unión PN provoca un efecto de avalancha.
En comparación con los fotodiodos PIN, la fotocorriente es amplificada internamente por el APD, evitando así el ruido introducido por los circuitos externos. Desde una perspectiva promedio estadística, suponiendo que un fotón genera M portadores, esto es igual a la relación entre la fotocorriente I producida después de la avalancha APD y la fotocorriente I inicial antes de la multiplicación.
En la fórmula, M se llama factor de multiplicación.
El factor de multiplicación está relacionado con la tasa de ionización de los portadores de carga, que se refiere al número promedio de pares de huecos de electrones generados por unidad de distancia de deriva. La tasa de ionización de electrones y la tasa de ionización de huecos son diferentes y se indican como ₀ y ₂, respectivamente. Están relacionados con factores como el voltaje de polarización inversa, el ancho de la región de agotamiento y la concentración de dopaje, y se denotan como ₀.
En la fórmula, k es el coeficiente de ionización, que es una medida del rendimiento de un fotodetector.
El efecto de la tasa de ionización sobre M puede obtenerse mediante la siguiente fórmula:
Cuando=0, solo los electrones participan en el proceso de avalancha, M=e^(-ω), y la ganancia aumenta exponencialmente con ω. Cuando ω=1 y -1, según la ecuación (3-26), M → ∞, se produce la ruptura de la avalancha. Normalmente, el valor de M oscila entre 10 y 500. La ruptura de avalancha en un APD se produce porque el voltaje de polarización inversa aplicado es demasiado grande. Considerando la estrecha relación entre M y el voltaje de polarización inversa, comúnmente se usa una fórmula empírica para describir su relación, es decir:
En la fórmula, n es un índice característico dependiente de la temperatura-, n=2.5~7; Un es el voltaje de ruptura de avalancha, que varía de 70 a 200 V para diferentes materiales semiconductores; U es el voltaje de polarización inversa, que generalmente se considera entre el 80% y el 90% de UgR. Cuando se utiliza un APD, es esencial asegurarse de que el voltaje de funcionamiento se mantenga por debajo del voltaje de ruptura de avalancha para evitar dañar el dispositivo.
