โฟโตไดโอด PIN คืออะไร

ความหมายของ PIN (โพสต์-ภายใน-เชิงลบ) คือชั้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความเข้มข้นของสารต้องห้ามต่ำมาก (เช่น Si) จะถูกแทรกระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประเภท P- และ N- เลเยอร์นี้แสดงเป็น I (ภายใน) และเรียกว่าภูมิภาคภายใน โครงสร้างของกโฟโตไดโอด PIN(PIN-PD) จะแสดงในรูปด้านซ้าย ในภาพ หลังจากที่แสงตกกระทบเข้ามาจากบริเวณ P* แสงนั้นจะถูกดูดซับไม่เพียงแต่ในบริเวณพร่องเท่านั้น แต่ยังถูกดูดซับไว้นอกบริเวณพร่องด้วย การดูดกลืนแสงเหล่านี้ก่อให้เกิดองค์ประกอบการแพร่กระจายในโฟโตปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนในบริเวณ P* จะกระจายไปยังขอบเขตด้านซ้ายของบริเวณพร่องก่อน จากนั้นจึงเคลื่อนผ่านบริเวณพร่องไปถึงบริเวณ N* ในทำนองเดียวกัน รูในบริเวณพร่องจะกระจายไปยังขอบเขตด้านขวาของบริเวณพร่องก่อนที่จะผ่านบริเวณพร่องไปถึงบริเวณ P* โฟโตกระแสในพื้นที่พร่องเรียกว่าส่วนประกอบดริฟท์ และเวลาในการแพร่กระจายของมันขึ้นอยู่กับความกว้างของพื้นที่พร่องเป็นหลัก เห็นได้ชัดว่าเวลาการแพร่กระจายของส่วนประกอบกระแสการแพร่กระจายนั้นนานกว่าของส่วนประกอบกระแสดริฟท์ เป็นผลให้ขอบต่อท้ายของพัลส์กระแสเอาต์พุตของเครื่องตรวจจับแสงยาวขึ้น และการหน่วงเวลาที่เกิดขึ้นจะส่งผลต่อความเร็วการตอบสนองของเครื่องตรวจจับแสง

หากบริเวณพร่องแคบ โฟตอนส่วนใหญ่จะไปถึงบริเวณ N+ ก่อนที่จะถูกดูดซับโดยบริเวณพร่อง ในภูมิภาคนี้ สนามไฟฟ้าอ่อนมากและไม่สามารถแยกอิเล็กตรอนและรูออกได้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพควอนตัมค่อนข้างต่ำ

ความกว้างของขอบเขตพร่องที่แคบลง *w* ส่งผลให้ความจุของจุดเชื่อมต่อมีขนาดใหญ่ขึ้น และค่าคงที่เวลา RC ที่มากขึ้น ซึ่งส่งผลเสียต่อการส่งข้อมูลความเร็วสูง-

เมื่อพิจารณาถึงเวลาในการดริฟท์และผลกระทบของความจุทางแยก แบนด์วิธของโฟโตไดโอดสามารถแสดงเป็น:

ในสูตร R₁คือความต้านทานโหลด

การวิเคราะห์ข้างต้นแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มความกว้างของบริเวณพร่องเป็นสิ่งจำเป็น

ดังที่แสดงในรูปด้านบน ความกว้างของขอบเขต I- นั้นใหญ่กว่าความกว้างของขอบเขต P+ และ N+ มาก ดังนั้น โฟตอนจะถูกดูดซับมากขึ้นในภูมิภาค I- ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพควอนตัมในขณะที่ยังคงรักษากระแสการแพร่กระจายเล็กน้อย แรงดันไบแอสย้อนกลับของโฟโตไดโอด PIN สามารถตั้งค่าให้น้อยลงได้ เนื่องจากความหนาของบริเวณพร่องจะถูกกำหนดโดยความกว้างของบริเวณ I-

 

แน่นอนว่า ขอบเขตที่กว้างขึ้น-ไม่ได้ดีกว่าเสมอไป ความกว้างที่มากขึ้น (w) ส่งผลให้เวลาการเลื่อนลอยนานขึ้นสำหรับผู้ให้บริการในพื้นที่พร่อง ซึ่งจำกัดแบนด์วิธ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการพิจารณาอย่างครอบคลุม เนื่องจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงที่แตกต่างกันสำหรับความยาวคลื่นของแสงที่แตกต่างกัน ความกว้างของบริเวณภายใน (บริเวณ I-) จึงแตกต่างกันไป ตัวอย่างเช่น ความกว้างของบริเวณ I- ของโฟโตไดโอด Si PIN จะอยู่ที่ประมาณ 40 มม. ในขณะที่ความกว้างของโฟโตไดโอด InGaAs PIN จะอยู่ที่ประมาณ 4 มม. วิธีนี้จะกำหนดแบนด์วิดท์และช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของเครื่องตรวจจับแสงที่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกันทั้งสองนี้: โฟโตไดโอด Si PIN ถูกใช้ในย่านความถี่ 850 นาโนเมตร ในขณะที่โฟโตไดโอด PIN ของ InGaAs ถูกใช้ในย่านความถี่ 1310 นาโนเมตรและ 1550 นาโนเมตร

(APD)โฟโตไดโอดถล่ม

APD (Avalanche Photodiode) เป็นเครื่องตรวจจับแสงที่มีความไวสูงซึ่งใช้เอฟเฟกต์หิมะถล่มเพื่อเพิ่มจำนวนโฟโตปัจจุบัน หลักการของปรากฏการณ์หิมะถล่มมีดังนี้: สัญญาณไฟตกกระทบจะสร้างคู่อิเล็กตรอนเริ่มต้น-ใน APD เนื่องจากแรงดันไบแอสย้อนกลับสูงที่ใช้กับ APD คู่รูอิเล็กตรอน-เหล่านี้จึงเร่งความเร็วภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า และได้รับพลังงานจลน์ที่มีนัยสำคัญ เมื่อพวกมันชนกับอะตอมที่เป็นกลาง อิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์ของอะตอมที่เป็นกลางจะได้รับพลังงานและกระโดดไปยังแถบการนำไฟฟ้า ซึ่งทำให้เกิด-คู่รูอิเล็กตรอนใหม่ เรียกว่าคู่รูอิเล็กตรอนทุติยภูมิ- พาหะทุติยภูมิเหล่านี้ยังสามารถชนกับอะตอมที่เป็นกลางอื่นๆ ภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งทำให้เกิดรูอิเล็กตรอนคู่ใหม่- ซึ่งทำให้เกิดกระบวนการหิมะถล่มที่ก่อให้เกิดพาหะใหม่ๆ กล่าวอีกนัยหนึ่ง โฟตอนหนึ่งตัวจะสร้างพาหะจำนวนมากในที่สุด ซึ่งขยายสัญญาณแสงภายใน APD ตามโครงสร้าง ความแตกต่างระหว่างโฟโตไดโอด APD และ PIN อยู่ที่การเพิ่มเลเยอร์ P เพิ่มเติม โครงสร้างของ APD แสดงในรูปที่ 3-18 เมื่อไบแอสแบบย้อนกลับ จะมีสนามไฟฟ้ากำลังแรงอยู่ในจุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งประกบอยู่ระหว่างชั้น I และชั้น N* เมื่อสัญญาณไฟตกกระทบเข้าสู่บริเวณ I จากบริเวณ P* ด้านซ้าย แสงจะถูกดูดซับในบริเวณ I เพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอน-รู อิเล็กตรอนในภูมิภาค I จะเคลื่อนไปยังบริเวณรอยต่อ PN อย่างรวดเร็ว และสนามไฟฟ้ากำลังแรงในบริเวณรอยต่อ PN จะทำให้อิเล็กตรอนสร้างเอฟเฟกต์หิมะถล่ม

ตามโครงสร้าง ความแตกต่างระหว่างโฟโตไดโอด APD และ PIN อยู่ที่การเพิ่มเลเยอร์พิเศษ P โครงสร้างของ APD จะแสดงในรูปที่ถูกต้อง ภายใต้อคติย้อนกลับ สนามไฟฟ้ากำลังแรงจะมีอยู่ในจุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งประกบอยู่ระหว่างชั้น I และ N+ เมื่อสัญญาณไฟตกกระทบเข้าสู่บริเวณ I จากบริเวณ P+ ด้านซ้าย แสงนั้นจะถูกดูดซับในบริเวณ I ทำให้เกิดคู่อิเล็กตรอน-รู อิเล็กตรอนจะลอยอย่างรวดเร็วไปยังบริเวณรอยต่อ PN และสนามไฟฟ้าแรงที่จุดเชื่อมต่อ PN ทำให้เกิดปรากฏการณ์หิมะถล่ม

เรียนรู้เพิ่มเติม

เมื่อเปรียบเทียบกับโฟโตไดโอด PIN โฟโตปัจจุบันจะถูกขยายภายในโดย APD ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนที่เกิดจากวงจรภายนอก จากมุมมองเฉลี่ยทางสถิติ สมมติว่าโฟตอนหนึ่งตัวสร้างพาหะ M ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของกระแสโฟโตปัจจุบันที่เอาท์พุตหลังจาก APD หิมะถล่มต่อโฟตอนเริ่มต้น I ก่อนการคูณ

ในสูตร M เรียกว่าตัวคูณ

ตัวคูณการคูณสัมพันธ์กับอัตราการไอออไนเซชันของพาหะประจุ ซึ่งหมายถึงจำนวนเฉลี่ยของคู่อิเล็กตรอน-ที่เกิดขึ้นต่อหน่วยระยะห่างของการดริฟท์ อัตราการไอออไนเซชันของอิเล็กตรอนและอัตราการไอออไนเซชันของรูจะแตกต่างกัน แสดงโดย ₀ และ ₂ ตามลำดับ พวกมันเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ เช่น แรงดันไบแอสย้อนกลับ ความกว้างของบริเวณพร่อง และความเข้มข้นของสารต้องห้าม และแสดงเป็น ₀

ในสูตร k คือสัมประสิทธิ์ไอออไนซ์ ซึ่งเป็นการวัดประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสง

ผลของอัตราการไอออไนเซชันต่อ M สามารถกำหนดได้จากสูตรต่อไปนี้:

เมื่อ=0 มีเพียงอิเล็กตรอนเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในกระบวนการหิมะถล่ม M=e^(-ω) และค่าเกนจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณด้วย ω เมื่อ ω=1 และ -1 ตามสมการ (3-26) M → ∞ และหิมะถล่มเกิดขึ้น โดยทั่วไป ค่าของ M จะอยู่ในช่วง 10 ถึง 500 การพังทลายของหิมะถล่มใน APD เกิดขึ้นเนื่องจากแรงดันไบแอสย้อนกลับที่ใช้มีขนาดใหญ่เกินไป เมื่อพิจารณาถึงความสัมพันธ์ใกล้ชิดระหว่าง M และแรงดันไบแอสย้อนกลับ โดยทั่วไปจะใช้สูตรเชิงประจักษ์เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ของพวกมัน เช่น

ในสูตร n คือดัชนีคุณลักษณะที่ขึ้นกับอุณหภูมิ-, n=2.5~7; Un คือแรงดันพังทลายของหิมะถล่ม ซึ่งจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 70 ถึง 200V สำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกัน U คือแรงดันไบแอสย้อนกลับ ซึ่งโดยทั่วไปจะคิดเป็น 80% ถึง 90% ของ UgR เมื่อใช้ APD จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าในการทำงานอยู่ต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าพังทลายของหิมะถล่มเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อุปกรณ์เสียหาย