O significado de PIN (Pós-Intrínseco-Negativo) é que uma camada de material semicondutor com uma concentração de dopagem muito baixa (como Si) é inserida entre materiais semicondutores do tipo P-e do tipo N-. Esta camada é denotada como I (Intrínseca) e é chamada de região intrínseca. A estrutura de umFotodiodo PIN(PIN-PD) é mostrado na figura à esquerda. Na figura, depois que a luz incidente entra pela região P*, ela é absorvida não apenas na região de depleção, mas também fora da região de depleção. Essas absorções formam o componente de difusão na fotocorrente. Por exemplo, os elétrons na região P* difundem-se primeiro para o limite esquerdo da região de depleção e depois passam através da região de depleção para alcançar a região N*. Da mesma forma, os buracos na região N' difundem-se para o limite direito da região de depleção antes de passarem pela região de depleção para alcançar a região P*. A fotocorrente na região de depleção é chamada de componente de deriva, e seu tempo de propagação depende principalmente da largura da região de depleção. Obviamente, o tempo de propagação da componente da corrente de difusão é maior que o da componente da corrente de deriva. Como resultado, a borda final do pulso de corrente de saída do fotodetector é alongada e o atraso resultante afetará a velocidade de resposta do fotodetector.
Se a região de depleção for estreita, a maioria dos fótons alcançará a região N+ antes de serem absorvidos pela região de depleção. Nesta região, o campo elétrico é muito fraco e não consegue separar elétrons e buracos, resultando em uma eficiência quântica relativamente baixa.
Uma largura de região de depleção mais estreita *w* resulta em uma capacitância de junção maior e uma constante de tempo RC maior, o que é prejudicial à transmissão de dados em alta-velocidade.
Considerando o tempo de deriva e os efeitos da capacitância da junção, a largura de banda de um fotodiodo pode ser expressa como:
Na fórmula, R1é a resistência da carga.
A análise acima demonstra que aumentar a largura da região de depleção é essencial.
Conforme mostrado na figura acima, a largura da região I-é muito maior que a das regiões P+ e N+. Portanto, mais fótons são absorvidos na região I-, aumentando a eficiência quântica enquanto mantém uma pequena corrente de difusão. A tensão de polarização reversa do fotodiodo PIN pode ser definida para um valor menor porque a espessura de sua região de depleção é essencialmente determinada pela largura da região I-.
É claro que uma região-mais ampla nem sempre é melhor. Uma largura maior (w) resulta em um tempo de deriva mais longo para as portadoras na região de depleção, limitando assim a largura de banda. Portanto, uma consideração abrangente é necessária. Como diferentes materiais semicondutores têm diferentes coeficientes de absorção para diferentes comprimentos de onda de luz, a largura da região intrínseca (região I-) varia. Por exemplo, a largura da região I-de um fotodiodo Si PIN é de aproximadamente 40 mm, enquanto a de um fotodiodo InGaAs PIN é de aproximadamente 4 mm. Isso determina as diferentes larguras de banda e faixas de comprimento de onda dos fotodetectores feitos a partir desses dois materiais diferentes: os fotodiodos Si PIN são usados na banda de 850 nm, enquanto os fotodiodos InGaAs PIN são usados nas bandas de 1310 nm e 1550 nm.
(APD) Fotodiodo de avalanche
Um APD (Fotodiodo Avalanche) é um fotodetector altamente sensível que utiliza o efeito avalanche para multiplicar a fotocorrente. O princípio do efeito avalanche é o seguinte: uma luz de sinal incidente gera pares iniciais de elétrons-buracos no APD. Devido à alta tensão de polarização reversa aplicada ao APD, esses pares de elétrons-buracos aceleram sob a influência do campo elétrico, ganhando energia cinética significativa. Quando eles colidem com átomos neutros, os elétrons na banda de valência dos átomos neutros ganham energia e saltam para a banda de condução, gerando assim novos pares de elétrons-buracos, chamados pares de elétrons{6}}buracos secundários. Esses portadores secundários também podem colidir com outros átomos neutros sob um forte campo elétrico, gerando novos pares de elétrons-buracos, induzindo assim o processo de avalanche que produz novos portadores. Em outras palavras, um fóton gera muitas portadoras, amplificando o sinal óptico dentro do APD. Estruturalmente, a diferença entre um fotodiodo APD e um PIN reside na adição de uma camada P adicional. A estrutura de um APD é mostrada na Figura 3-18. Quando polarizado inversamente, existe um forte campo elétrico na junção PN imprensada entre a camada I e a camada N*. Uma vez que a luz do sinal incidente entra na região I a partir da região P* esquerda, ela é absorvida na região I para gerar pares elétron-buraco. Os elétrons na região I derivam rapidamente para a região da junção PN, e o forte campo elétrico na junção PN faz com que os elétrons produzam um efeito de avalanche.
Estruturalmente, a diferença entre um fotodiodo APD e um PIN reside na adição de uma camada extra, P. A estrutura de um APD é mostrada na figura à direita. Sob polarização reversa, existe um forte campo elétrico na junção PN imprensada entre as camadas I e N+. Uma vez que a luz do sinal incidente entra na região I a partir da região P+ esquerda, ela é absorvida na região I, gerando pares de buracos de elétrons. Os elétrons derivam rapidamente para a região da junção PN, e o forte campo elétrico na junção PN causa um efeito de avalanche.
Comparado aos fotodiodos PIN, a fotocorrente é amplificada internamente pelo APD, evitando assim o ruído introduzido por circuitos externos. Do ponto de vista da média estatística, assumindo que um fóton gera M portadores, isso é igual à razão entre a fotocorrente I produzida após a avalanche de APD e a fotocorrente inicial I antes da multiplicação.
Na fórmula, M é chamado de fator de multiplicação.
O fator de multiplicação está relacionado à taxa de ionização dos portadores de carga, que se refere ao número médio de pares de elétrons-buracos gerados por unidade de distância de desvio. A taxa de ionização de elétrons e a taxa de ionização de buracos são diferentes, denotadas por ₀ e ₂, respectivamente. Eles estão relacionados a fatores como tensão de polarização reversa, largura da região de depleção e concentração de dopagem, e são denotados como ₀.
Na fórmula, k é o coeficiente de ionização, que é uma medida do desempenho de um fotodetector.
O efeito da taxa de ionização em M pode ser dado pela seguinte fórmula:
Quando=0, apenas elétrons participam do processo de avalanche, M=e^(-ω), e o ganho aumenta exponencialmente com ω. Quando ω=1 e -1, de acordo com a equação (3-26), M → ∞, ocorre a quebra da avalanche. Normalmente, o valor de M varia de 10 a 500. A quebra de avalanche em um APD ocorre porque a tensão de polarização reversa aplicada é muito grande. Considerando a estreita relação entre M e a tensão de polarização reversa, uma fórmula empírica é comumente usada para descrever sua relação, ou seja:
Na fórmula, n é um índice característico-dependente da temperatura, n=2.5~7; Un é a tensão de ruptura da avalanche, que varia de 70 a 200V para diferentes materiais semicondutores; U é a tensão de polarização reversa, que geralmente é considerada como 80% a 90% de UgR. Ao usar um APD, é essencial garantir que a tensão operacional seja mantida abaixo da tensão de ruptura da avalanche para evitar danos ao dispositivo.
