Ý nghĩa của mã PIN (Hậu-Nội tại-Âm tính) là một lớp vật liệu bán dẫn có nồng độ pha tạp rất thấp (chẳng hạn như Si) được chèn vào giữa vật liệu bán dẫn loại P- và loại N-. Lớp này được ký hiệu là I (Intrinsic) và được gọi là vùng nội tại. Cấu trúc của mộtĐiốt quang PIN(PIN-PD) được hiển thị ở hình bên trái. Trong hình, sau khi ánh sáng tới đi vào từ vùng P*, nó bị hấp thụ không chỉ trong vùng cạn kiệt mà còn bị hấp thụ bên ngoài vùng cạn kiệt. Những sự hấp thụ này tạo thành thành phần khuếch tán trong dòng quang. Ví dụ, các electron ở vùng P* trước tiên khuếch tán sang ranh giới bên trái của vùng cạn kiệt và sau đó đi qua vùng cạn kiệt để đến vùng N*. Tương tự, các lỗ trống trong vùng N' khuếch tán đến ranh giới bên phải của vùng cạn kiệt trước khi đi qua vùng cạn kiệt để đến vùng P*. Dòng quang trong vùng cạn kiệt được gọi là thành phần trôi dạt và thời gian lan truyền của nó chủ yếu phụ thuộc vào độ rộng của vùng cạn kiệt. Rõ ràng, thời gian lan truyền của thành phần dòng khuếch tán dài hơn thành phần dòng trôi. Kết quả là, cạnh sau của xung dòng điện đầu ra của bộ tách sóng quang bị kéo dài và độ trễ thời gian dẫn đến sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phản hồi của bộ tách sóng quang.
Nếu vùng cạn kiệt hẹp, hầu hết các photon sẽ đến vùng N+ trước khi bị vùng cạn kiệt hấp thụ. Ở vùng này, điện trường rất yếu và không thể tách rời các electron và lỗ trống, dẫn đến hiệu suất lượng tử tương đối thấp.
Chiều rộng vùng suy giảm hẹp hơn *w* dẫn đến điện dung tiếp giáp lớn hơn và hằng số thời gian RC lớn hơn, điều này gây bất lợi cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao.
Xem xét hiệu ứng thời gian trôi và điện dung tiếp giáp, băng thông của photodiode có thể được biểu thị như sau:
Trong công thức, R1là điện trở tải.
Phân tích trên chứng tỏ rằng việc tăng chiều rộng của vùng cạn kiệt là điều cần thiết.
Như được hiển thị trong hình trên, chiều rộng của vùng I{0}}lớn hơn nhiều so với chiều rộng của vùng P+ và N+. Do đó, nhiều photon hơn được hấp thụ trong vùng I-, làm tăng hiệu suất lượng tử trong khi vẫn duy trì dòng khuếch tán nhỏ. Điện áp phân cực ngược của photodiode PIN có thể được đặt thành giá trị nhỏ hơn vì độ dày của vùng cạn kiệt của nó về cơ bản được xác định bởi độ rộng của vùng I{6}}.
Tất nhiên, vùng -rộng hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn. Độ rộng (w) lớn hơn dẫn đến thời gian trôi dài hơn đối với các sóng mang trong vùng cạn kiệt, do đó hạn chế băng thông. Vì vậy, cần có sự xem xét toàn diện. Vì các vật liệu bán dẫn khác nhau có hệ số hấp thụ khác nhau đối với các bước sóng ánh sáng khác nhau nên độ rộng của vùng bên trong (vùng I{4}) cũng khác nhau. Ví dụ: chiều rộng vùng I{6}} của điốt quang Si PIN là khoảng 40 mm, trong khi chiều rộng vùng của điốt quang InGaAs là khoảng 4 mm. Điều này xác định các băng thông và phạm vi bước sóng khác nhau của bộ tách sóng quang được làm từ hai vật liệu khác nhau này: Điốt quang Si PIN được sử dụng ở dải 850 nm, trong khi điốt quang InGaAs PIN được sử dụng ở dải 1310 nm và 1550 nm.
(APD)Điốt quang tuyết lở
APD (Avalanche Photodiode) là một bộ tách sóng quang có độ nhạy cao, sử dụng hiệu ứng tuyết lở để nhân dòng quang. Nguyên lý của hiệu ứng tuyết lở như sau: Một ánh sáng tín hiệu tới tạo ra các cặp lỗ trống electron ban đầu trong APD. Do điện áp phân cực ngược cao áp vào APD, các cặp lỗ electron- này tăng tốc dưới tác động của điện trường, thu được động năng đáng kể. Khi chúng va chạm với các nguyên tử trung hòa, các electron trong vùng hóa trị của các nguyên tử trung hòa thu năng lượng và nhảy lên vùng dẫn, do đó tạo ra các cặp lỗ trống-electron mới, gọi là cặp lỗ trống-electron thứ cấp. Các hạt mang điện thứ cấp này cũng có thể va chạm với các nguyên tử trung tính khác trong điện trường mạnh, tạo ra các cặp lỗ trống electron mới, do đó gây ra quá trình tuyết lở tạo ra các hạt mang điện mới. Nói cách khác, một photon cuối cùng sẽ tạo ra nhiều sóng mang, khuếch đại tín hiệu quang trong APD. Về mặt cấu trúc, sự khác biệt giữa APD và điốt quang PIN nằm ở việc bổ sung thêm lớp P. Cấu trúc của APD được hiển thị trong Hình 3-18. Khi phân cực ngược, một điện trường mạnh tồn tại ở điểm nối PN kẹp giữa lớp I và lớp N*. Khi ánh sáng tín hiệu tới đi vào vùng I từ vùng P* bên trái, nó sẽ được hấp thụ vào vùng I để tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các electron ở vùng I nhanh chóng trôi dạt đến vùng tiếp giáp PN và điện trường mạnh ở vùng tiếp giáp PN khiến các electron tạo ra hiệu ứng tuyết lở.
Về mặt cấu trúc, sự khác biệt giữa APD và điốt quang PIN nằm ở việc bổ sung thêm một lớp P. Cấu trúc của APD được thể hiện trong hình bên phải. Trong điều kiện phân cực ngược, một điện trường mạnh tồn tại ở điểm nối PN nằm giữa lớp I và N+. Khi ánh sáng tín hiệu tới đi vào vùng I từ vùng P+ bên trái, nó sẽ bị hấp thụ vào vùng I, tạo ra các cặp lỗ trống-electron. Các electron nhanh chóng trôi dạt đến vùng tiếp giáp PN và điện trường mạnh trong tiếp giáp PN gây ra hiệu ứng tuyết lở.
So với điốt quang PIN, dòng quang được khuếch đại bên trong bởi APD, do đó tránh được nhiễu do mạch điện bên ngoài tạo ra. Từ góc độ trung bình thống kê, giả sử một photon tạo ra M sóng mang, giá trị này bằng tỷ lệ giữa dòng quang I đầu ra sau trận tuyết lở APD với dòng quang I ban đầu trước khi nhân.
Trong công thức, M được gọi là hệ số nhân.
Hệ số nhân có liên quan đến tốc độ ion hóa của các hạt mang điện, tức là số cặp lỗ trống-electron trung bình được tạo ra trên một đơn vị khoảng cách trôi dạt. Tốc độ ion hóa electron và tốc độ ion hóa lỗ trống là khác nhau, được ký hiệu lần lượt là ₀ và ₂. Chúng liên quan đến các yếu tố như điện áp phân cực ngược, độ rộng vùng suy giảm và nồng độ pha tạp và được ký hiệu là ₀.
Trong công thức, k là hệ số ion hóa, là thước đo hiệu suất của bộ tách sóng quang.
Ảnh hưởng của tốc độ ion hóa đến M có thể được tính theo công thức sau:
Khi=0, chỉ các electron tham gia vào quá trình tuyết lở, M=e^(-ω) và độ lợi tăng theo cấp số nhân với ω. Khi ω=1 và -1, theo phương trình (3-26), M → ∞ và xảy ra sự cố tuyết lở. Thông thường, giá trị của M nằm trong khoảng từ 10 đến 500. Sự cố lở lở trong APD xảy ra do điện áp phân cực ngược áp dụng quá lớn. Xem xét mối quan hệ chặt chẽ giữa M và điện áp phân cực ngược, một công thức thực nghiệm thường được sử dụng để mô tả mối quan hệ của chúng, tức là:
Trong công thức, n là chỉ số đặc tính phụ thuộc vào nhiệt độ-, n=2.5~7; Un là điện áp đánh thủng do tuyết lở, thay đổi từ 70 đến 200V đối với các vật liệu bán dẫn khác nhau; U là điện áp phân cực ngược, thường được lấy bằng 80% đến 90% UgR. Khi sử dụng APD, điều cần thiết là phải đảm bảo rằng điện áp hoạt động được giữ dưới điện áp đánh thủng do tuyết lở để tránh làm hỏng thiết bị.
