PIN'in (Post-İçsel-Negatif) anlamı, P-tipi ve N-tipi yarı iletken malzemeler arasına çok düşük katkı konsantrasyonuna (Si gibi) sahip bir yarı iletken malzeme katmanının yerleştirilmesidir. Bu katman I (İçsel) olarak gösterilir ve içsel bölge olarak adlandırılır. Bir yapıPIN fotodiyot(PIN-PD) soldaki şekilde gösterilmektedir. Şekilde gelen ışık P* bölgesinden girdikten sonra sadece tükenme bölgesinde değil aynı zamanda tükenme bölgesinin dışında da emilmektedir. Bu absorpsiyonlar fotoakımın difüzyon bileşenini oluşturur. Örneğin, P* bölgesindeki elektronlar önce tükenme bölgesinin sol sınırına yayılır ve ardından tükenme bölgesinden geçerek N* bölgesine ulaşır. Benzer şekilde N' bölgesindeki delikler, P* bölgesine ulaşmak için tükenme bölgesinden geçmeden önce tükenme bölgesinin sağ sınırına doğru yayılır. Tükenme bölgesindeki fotoakıma sürüklenme bileşeni adı verilir ve yayılma süresi esas olarak tükenme bölgesinin genişliğine bağlıdır. Açıkçası, difüzyon akımı bileşeninin yayılma süresi, sürüklenme akımı bileşeninin yayılma süresinden daha uzundur. Sonuç olarak, fotodetektörün çıkış akımı darbesinin arka kenarı uzar ve ortaya çıkan zaman gecikmesi, fotodedektörün tepki hızını etkileyecektir.
Tükenme bölgesi darsa fotonların çoğu, tükenme bölgesi tarafından emilmeden önce N+ bölgesine ulaşacaktır. Bu bölgede elektrik alanı çok zayıftır ve elektronları ve delikleri ayıramaz, bu da nispeten düşük kuantum verimliliğine neden olur.
Daha dar bir tükenme bölgesi genişliği *w*, daha büyük bir bağlantı kapasitansı ve daha büyük bir RC zaman sabiti ile sonuçlanır; bu da yüksek-hızlı veri aktarımına zarar verir.
Sürüklenme süresi ve bağlantı kapasitans etkileri göz önüne alındığında, bir fotodiyotun bant genişliği şu şekilde ifade edilebilir:
Formülde, R1yük direncidir.
Yukarıdaki analiz, tükenme bölgesinin genişliğinin arttırılmasının gerekli olduğunu göstermektedir.
Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, I-bölgesinin genişliği P+ ve N+ bölgelerinin genişliğinden çok daha büyüktür. Bu nedenle, I-bölgesinde daha fazla foton emilir ve küçük bir difüzyon akımı korunurken kuantum verimliliği artar. PIN fotodiyotun ters öngerilim voltajı daha küçük bir değere ayarlanabilir çünkü tükenme bölgesinin kalınlığı esas olarak I-bölgesinin genişliği tarafından belirlenir.
Elbette daha geniş bir I{0}}bölgesi her zaman daha iyi değildir. Daha büyük bir genişlik (w), tükenme bölgesindeki taşıyıcılar için daha uzun bir sürüklenme süresine neden olur, dolayısıyla bant genişliğini sınırlar. Bu nedenle kapsamlı bir değerlendirme yapılması gerekmektedir. Farklı yarı iletken malzemeler, ışığın farklı dalga boyları için farklı soğurma katsayılarına sahip olduğundan, içsel bölgenin (I-bölgesi) genişliği değişir. Örneğin, bir Si PIN fotodiyotun I-bölgesi genişliği yaklaşık 40 mm iken bir InGaAs PIN fotodiyotun genişliği yaklaşık 4 mm'dir. Bu, bu iki farklı malzemeden yapılan fotodedektörlerin farklı bant genişliklerini ve dalga boyu aralıklarını belirler: Si PIN fotodiyotları 850 nm bandında kullanılırken, InGaAs PIN fotodiyotları 1310 nm ve 1550 nm bantlarında kullanılır.
(APD)Çığ fotodiyodu
APD (Çığ Fotodiyodu), fotoakımı çoğaltmak için çığ etkisini kullanan oldukça hassas bir fotodetektördür. Çığ etkisinin prensibi şu şekildedir: Gelen bir sinyal ışığı, APD'de başlangıç elektron-deliği çiftlerini üretir. APD'ye uygulanan yüksek ters ön gerilim nedeniyle, bu elektron-deliği çiftleri, elektrik alanının etkisi altında hızlanarak önemli miktarda kinetik enerji kazanır. Nötr atomlarla çarpıştıklarında, nötr atomların değerlik bandındaki elektronlar enerji kazanarak iletim bandına atlarlar, böylece ikincil elektron-delik çiftleri adı verilen yeni elektron-delik çiftleri oluştururlar. Bu ikincil taşıyıcılar ayrıca güçlü bir elektrik alanı altında diğer nötr atomlarla çarpışarak yeni elektron-deliği çiftleri oluşturabilir, böylece yeni taşıyıcılar üreten çığ sürecini tetikleyebilir. Başka bir deyişle, bir foton sonuçta birçok taşıyıcı üreterek APD içindeki optik sinyali yükseltir. Yapısal olarak APD ile PIN fotodiyot arasındaki fark, ilave bir P katmanının eklenmesinde yatmaktadır. Bir APD'nin yapısı Şekil 3-18'de gösterilmektedir. Ters öngerilim uygulandığında, I katmanı ile N* katmanı arasına sıkıştırılmış PN ekleminde güçlü bir elektrik alanı mevcuttur. Gelen sinyal ışığı sol P* bölgesinden I bölgesine girdiğinde, elektron-delik çiftleri oluşturmak için I bölgesinde emilir. I bölgesindeki elektronlar hızla PN eklem bölgesine doğru sürüklenir ve PN eklemindeki güçlü elektrik alanı elektronların çığ etkisi yaratmasına neden olur.
Yapısal olarak, bir APD ile bir PIN fotodiyot arasındaki fark, fazladan bir katman olan P'nin eklenmesinde yatmaktadır. Bir APD'nin yapısı sağdaki şekilde gösterilmiştir. Ters öngerilim altında, I ve N+ katmanları arasına sıkıştırılmış PN ekleminde güçlü bir elektrik alanı mevcuttur. Gelen sinyal ışığı sol P+ bölgesinden I bölgesine girdiğinde, I bölgesinde emilir ve elektron-delik çiftleri oluşturulur. Elektronlar hızla PN bağlantı bölgesine doğru sürüklenir ve PN bağlantı noktasındaki güçlü elektrik alanı çığ etkisine neden olur.
PIN fotodiyotlarla karşılaştırıldığında, foto akım APD tarafından dahili olarak güçlendirilir, böylece harici devrenin neden olduğu gürültü önlenir. İstatistiksel ortalama perspektiften bakıldığında, bir fotonun M taşıyıcı ürettiğini varsayarsak, bu, APD çığından sonra çıkan fotoakım I'in, çarpma öncesindeki ilk fotoakım I'e oranına eşittir.
Formülde M'ye çarpma faktörü denir.
Çarpma faktörü, yük taşıyıcılarının iyonlaşma hızıyla ilgilidir; bu, birim sürüklenme mesafesi başına üretilen elektron-delik çiftlerinin ortalama sayısını ifade eder. Elektron iyonlaşma hızı ve delik iyonlaşma hızı farklıdır ve sırasıyla ₀ ve ₂ ile gösterilir. Bunlar ters öngerilim voltajı, tükenme bölgesi genişliği ve katkı konsantrasyonu gibi faktörlerle ilgilidir ve ₀ olarak gösterilir.
Formülde k, bir fotodetektörün performansının ölçüsü olan iyonizasyon katsayısıdır.
İyonlaşma oranının M üzerindeki etkisi aşağıdaki formülle verilebilir:
= 0 olduğunda çığ sürecine yalnızca elektronlar katılır, M=e^(-ω) ve kazanç ω ile üstel olarak artar. ω=1 ve -1 olduğunda, denklem (3-26)'ya göre M → ∞ olur ve çığ dökümü meydana gelir. Tipik olarak M'nin değeri 10 ila 500 arasında değişir. Bir APD'deki çığ bozulması, uygulanan ters öngerilim voltajının çok büyük olması nedeniyle meydana gelir. M ile ters öngerilim voltajı arasındaki yakın ilişki göz önüne alındığında, aralarındaki ilişkiyi tanımlamak için yaygın olarak ampirik bir formül kullanılır, yani:
Formülde n, sıcaklığa-bağlı bir karakteristik indekstir, n=2.5~7; Un, farklı yarı iletken malzemeler için 70 ila 200 V arasında değişen çığ kırılma voltajıdır; U, genellikle UgR'nin %80 ila %90'ı olarak alınan ters ön gerilim voltajıdır. APD kullanırken, cihazın hasar görmesini önlemek için çalışma voltajının çığ kırılma voltajının altında tutulmasını sağlamak önemlidir.
