PIN:n (Post-Intrinsic-Negative) merkitys on, että P--tyypin ja N--tyypin puolijohdemateriaalien väliin asetetaan kerros puolijohdemateriaalia, jonka seostuspitoisuus on erittäin alhainen (kuten Si). Tätä kerrosta kutsutaan nimellä I (intrinsic) ja sitä kutsutaan sisäiseksi alueeksi. Rakenne aPIN-valodiodi(PIN-PD) näkyy vasemmassa kuvassa. Kuvassa, kun tuleva valo tulee P*-alueelta, se absorboituu ei vain tyhjennysalueella vaan myös ehtymisalueen ulkopuolella. Nämä absorptiot muodostavat diffuusiokomponentin valovirrassa. Esimerkiksi P*-alueen elektronit diffundoituvat ensin tyhjennysalueen vasemmalle rajalle ja kulkevat sitten tyhjennysalueen läpi päästäkseen N*-alueelle. Samoin N'-alueen reiät diffundoituvat tyhjennysalueen oikealle rajalle ennen kuin ne kulkevat tyhjennysalueen läpi päästäkseen P*-alueelle. Tyhjennysalueen valovirtaa kutsutaan drift-komponentiksi, ja sen etenemisaika riippuu pääasiassa tyhjennysalueen leveydestä. Ilmeisesti diffuusiovirtakomponentin etenemisaika on pidempi kuin ryömintävirtakomponentin. Tämän seurauksena valoilmaisimen lähtövirtapulssin takareuna pitenee ja tuloksena oleva aikaviive vaikuttaa valoilmaisimen vastenopeuteen.
Jos ehtymisalue on kapea, useimmat fotonit saavuttavat N+-alueen ennen kuin ne imeytyvät ehtymisalueeseen. Tällä alueella sähkökenttä on erittäin heikko eikä pysty erottamaan elektroneja ja reikiä, mikä johtaa suhteellisen alhaiseen kvanttitehokkuuteen.
Kapeampi tyhjennysalueen leveys *w* johtaa suurempaan liitoskapasitanssiin ja suurempaan RC-aikavakioon, mikä on haitallista nopealle{0}}tiedonsiirrolle.
Kun otetaan huomioon ryömintäaika ja liitoskapasitanssiefektit, valodiodin kaistanleveys voidaan ilmaista seuraavasti:
Kaavassa R1on kuormitusvastus.
Yllä oleva analyysi osoittaa, että tyhjennysalueen leveyden lisääminen on välttämätöntä.
Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, I--alueen leveys on paljon suurempi kuin P+- ja N+-alueiden leveys. Siksi enemmän fotoneja absorboituu I--alueella, mikä lisää kvanttitehokkuutta säilyttäen samalla pienen diffuusiovirran. PIN-valodiodin käänteinen bias-jännite voidaan asettaa pienemmäksi arvoksi, koska sen tyhjennysalueen paksuus määräytyy olennaisesti I--alueen leveyden mukaan.
Laajempi alue ei tietenkään ole aina parempi{0}. Suurempi leveys (w) johtaa pidemmän ryömintäajan kantoaalloille tyhjennysalueella, mikä rajoittaa kaistanleveyttä. Siksi kokonaisvaltainen harkinta on tarpeen. Koska eri puolijohdemateriaaleilla on erilaiset absorptiokertoimet eri valon aallonpituuksille, sisäisen alueen (I-alueen) leveys vaihtelee. Esimerkiksi Si PIN -valodiodin I-alueen leveys on noin 40 mm, kun taas InGaAs PIN -valodiodin alueen leveys on noin 4 mm. Tämä määrittää näistä kahdesta eri materiaalista valmistettujen valodetektorien erilaiset kaistanleveydet ja aallonpituusalueet: Si PIN -valodiodeja käytetään 850 nm:n kaistalla, kun taas InGaAs PIN -valodiodeja käytetään 1310 nm:n ja 1550 nm:n kaistalla.
(APD) Avalanche-valodiodi
APD (Avalanche Photodiode) on erittäin herkkä valoilmaisin, joka hyödyntää lumivyöryefektiä valovirran moninkertaistamiseen. Lumivyöryn periaate on seuraava: Tuleva signaalivalo synnyttää alkuelektroni-reikäpareja APD:hen. APD:hen kohdistetun korkean käänteisen bias-jännitteen vuoksi nämä elektroni-reikäparit kiihtyvät sähkökentän vaikutuksesta ja saavat merkittävää kineettistä energiaa. Kun ne törmäävät neutraalien atomien kanssa, neutraalien atomien valenssivyöhykkeen elektronit saavat energiaa ja hyppäävät johtavuuskaistalle, jolloin syntyy uusia elektroni-reikäpareja, joita kutsutaan toissijaisiksi elektroni-reikäpareiksi. Nämä toissijaiset kantajat voivat myös törmätä muihin neutraaleihin atomiin voimakkaan sähkökentän alaisena, jolloin syntyy uusia elektroni-reikäpareja, mikä indusoi lumivyöryprosessin, joka tuottaa uusia kantoaaltoja. Toisin sanoen yksi fotoni tuottaa lopulta monia kantoaaltoja, mikä vahvistaa optista signaalia APD:ssä. Rakenteellisesti ero APD:n ja PIN-valodiodin välillä on ylimääräisen P-kerroksen lisäämisessä. APD:n rakenne on esitetty kuvassa 3-18. Käänteisessä biasoinnissa I-kerroksen ja N*-kerroksen välissä olevassa PN-liitoksessa on voimakas sähkökenttä. Kun tuleva signaalivalo tulee I-alueelle vasemmalta P*-alueelta, se absorboituu I-alueelle muodostaen elektroni-reikäpareja. I-alueen elektronit ajautuvat nopeasti PN-liitosalueelle ja voimakas sähkökenttä PN-liitoksessa saa elektronit tuottamaan lumivyöryefektin.
Rakenteellisesti ero APD:n ja PIN-valodiodin välillä on ylimääräisen kerroksen P lisäämisessä. APD:n rakenne on esitetty oikeanpuoleisessa kuvassa. Käänteisessä biasissa I- ja N+-kerrosten välissä olevassa PN-liitoksessa on voimakas sähkökenttä. Kun tuleva signaalivalo tulee I-alueelle vasemmalta P+-alueelta, se absorboituu I-alueelle ja muodostaa elektroni{5}}reikäpareja. Elektronit ajautuvat nopeasti PN-liitoksen alueelle ja voimakas sähkökenttä PN-liitoksessa aiheuttaa lumivyöryefektin.
PIN-valodiodeihin verrattuna APD vahvistaa valovirtaa sisäisesti, jolloin vältetään ulkoisten piirien aiheuttama kohina. Tilastollisen keskiarvon näkökulmasta, olettaen, että yksi fotoni tuottaa M kantoaaltoa, tämä on yhtä suuri kuin APD-vyöryn jälkeen tulevan valovirran I suhde alkuperäiseen valovirtaan I ennen kertomista.
Kaavassa M:tä kutsutaan kertoimeksi.
Kerroinkerroin liittyy varauksenkuljettajien ionisaationopeuteen, joka viittaa elektroni{0}}reikäparien keskimääräiseen lukumäärään, joka syntyy yksikkömatkaa kohti ajautumista. Elektronin ionisaationopeus ja aukon ionisaationopeus ovat erilaisia, merkitty 0 ja 2, vastaavasti. Ne liittyvät sellaisiin tekijöihin kuin käänteinen esijännite, tyhjennysalueen leveys ja seostuspitoisuus, ja niitä merkitään ₀.
Kaavassa k on ionisaatiokerroin, joka on valodetektorin suorituskyvyn mitta.
Ionisaationopeuden vaikutus M:ään voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla:
Kun=0, vain elektronit osallistuvat lumivyöryprosessiin, M=e^(-ω), ja vahvistus kasvaa eksponentiaalisesti ω:n kanssa. Kun ω=1 ja -1, yhtälön (3-26) mukaisesti tapahtuu M → ∞ ja tapahtuu lumivyöry. Tyypillisesti M:n arvo vaihtelee 10:stä 500:aan. Lumivyöryn rikkoutuminen APD:ssä tapahtuu, koska käytetty käänteinen esijännite on liian suuri. Kun otetaan huomioon läheinen suhde M:n ja käänteisen esijännitteen välillä, niiden suhteen kuvaamiseen käytetään yleisesti empiiristä kaavaa, esim.
Kaavassa n on lämpötila-riippuvainen ominaisindeksi, n=2.5~7; Un on lumivyöryn läpilyönnin jännite, joka vaihtelee 70 - 200 V eri puolijohdemateriaalien osalta; U on käänteinen esijännite, joka on yleensä 80-90 % UgR:stä. APD:tä käytettäessä on tärkeää varmistaa, että käyttöjännite pidetään lumivyöryjännitteen alapuolella, jotta laite ei vahingoitu.
