PIN(Post-Intrinsic-Negative)의 의미는 도핑 농도가 매우 낮은 반도체 재료(예: Si) 층이 P-형 반도체 재료와 N-형 반도체 재료 사이에 삽입된다는 것입니다. 이 층은 I(Intrinsic)로 표시되며 고유 영역이라고 합니다. 의 구조PIN 포토다이오드(PIN-PD)는 왼쪽 그림과 같습니다. 그림에서 P* 영역에서 입사된 빛은 공핍 영역뿐만 아니라 공핍 영역 외부에서도 흡수됩니다. 이러한 흡수는 광전류의 확산 성분을 형성합니다. 예를 들어, P* 영역의 전자는 먼저 공핍 영역의 왼쪽 경계로 확산된 다음 공핍 영역을 통과하여 N* 영역에 도달합니다. 마찬가지로 N' 영역의 정공은 공핍 영역을 통과하여 P* 영역에 도달하기 전에 공핍 영역의 오른쪽 경계로 확산됩니다. 공핍 영역의 광전류를 드리프트 성분이라고 하며, 그 전파 시간은 주로 공핍 영역의 폭에 따라 달라집니다. 분명히, 확산 전류 성분의 전파 시간은 드리프트 전류 성분의 전파 시간보다 길다. 결과적으로, 광검출기의 출력 전류 펄스의 하강 에지는 길어지고, 결과적인 시간 지연은 광검출기의 응답 속도에 영향을 미칠 것입니다.
공핍 영역이 좁은 경우 대부분의 광자는 공핍 영역에 흡수되기 전에 N+ 영역에 도달합니다. 이 영역에서는 전기장이 매우 약해 전자와 정공을 분리할 수 없어 양자 효율이 상대적으로 낮다.
공핍 영역 폭 *w*가 더 좁을수록 접합 커패시턴스와 RC 시상수가 더 커지며, 이는 고속-데이터 전송에 해를 끼칩니다.
드리프트 시간과 접합 커패시턴스 효과를 고려하면 포토다이오드의 대역폭은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
공식에서 R1부하저항이다.
위의 분석은 고갈 영역의 너비를 늘리는 것이 필수적임을 보여줍니다.
위 그림에서 볼 수 있듯이 I-영역의 너비는 P+ 및 N+ 영역의 너비보다 훨씬 큽니다. 따라서 I- 영역에 더 많은 광자가 흡수되어 작은 확산 전류를 유지하면서 양자 효율이 높아집니다. PIN 포토다이오드의 역바이어스 전압은 본질적으로 I- 영역의 폭에 따라 공핍 영역의 두께가 결정되므로 더 작은 값으로 설정할 수 있습니다.
물론 I-영역이 넓을수록 항상 더 좋은 것은 아닙니다. 폭(w)이 클수록 공핍 영역의 캐리어에 대한 드리프트 시간이 길어져 대역폭이 제한됩니다. 그러므로 종합적인 고려가 필요하다. 서로 다른 반도체 재료는 서로 다른 빛의 파장에 대해 서로 다른 흡수 계수를 갖기 때문에 진성 영역(I- 영역)의 너비가 다릅니다. 예를 들어, Si PIN 포토다이오드의 I- 영역 폭은 약 40mm인 반면 InGaAs PIN 포토다이오드의 폭은 약 4mm입니다. 이는 두 가지 서로 다른 재료로 만들어진 광검출기의 다양한 대역폭과 파장 범위를 결정합니다. Si PIN 광다이오드는 850nm 대역에서 사용되는 반면 InGaAs PIN 광다이오드는 1310nm 및 1550nm 대역에서 사용됩니다.
(APD)애벌런치 포토다이오드
APD(Avalanche Photodiode)는 눈사태 효과를 활용하여 광전류를 증폭시키는 고감도 광검출기입니다. 눈사태 효과의 원리는 다음과 같습니다. 입사된 신호광은 APD에 초기 전자{1}}정공 쌍을 생성합니다. APD에 적용된 높은 역바이어스 전압으로 인해 이러한 전자-정공 쌍은 전기장의 영향으로 가속되어 상당한 운동 에너지를 얻습니다. 중성 원자와 충돌할 때 중성 원자의 가전자대에 있는 전자는 에너지를 얻고 전도대로 점프하여 2차 전자-정공 쌍이라고 불리는 새로운 전자{5}}정공 쌍을 생성합니다. 이러한 2차 캐리어는 강한 전기장 하에서 다른 중성 원자와 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 생성하여 새로운 캐리어를 생성하는 눈사태 과정을 유도할 수도 있습니다. 즉, 하나의 광자는 궁극적으로 많은 캐리어를 생성하여 APD 내에서 광 신호를 증폭시킵니다. 구조적으로 APD와 PIN 포토다이오드의 차이점은 P 레이어가 추가된다는 점입니다. APD의 구조는 그림 3-18에 나와 있습니다. 역방향 바이어스 시 I층과 N*층 사이에 끼어 있는 PN 접합에 강한 전기장이 존재합니다. 입사된 신호광은 왼쪽 P* 영역에서 I 영역으로 입사하면 I 영역에서 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성합니다. I 영역의 전자는 PN 접합 영역으로 빠르게 이동하고, PN 접합의 강한 전기장은 전자가 눈사태 효과를 생성하도록 합니다.
구조적으로 APD와 PIN 포토다이오드의 차이점은 추가 레이어 P가 추가된다는 점입니다. APD의 구조는 오른쪽 그림에 나와 있습니다. 역방향 바이어스 하에서는 I 층과 N+ 층 사이에 끼어 있는 PN 접합에 강한 전기장이 존재합니다. 입사된 신호광은 왼쪽 P+ 영역에서 I 영역으로 입사하면 I 영역에서 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성합니다. 전자는 PN 접합 영역으로 빠르게 이동하고 PN 접합의 강한 전기장은 눈사태 효과를 유발합니다.
PIN 광다이오드와 비교하여 광전류는 APD에 의해 내부적으로 증폭되므로 외부 회로에서 발생하는 잡음을 방지합니다. 통계적 평균 관점에서 볼 때, 하나의 광자가 M개의 캐리어를 생성한다고 가정하면 이는 APD 눈사태 이후 출력되는 광전류 I와 곱셈 전의 초기 광전류 I의 비율과 같습니다.
공식에서 M을 곱셈 인자라고 합니다.
곱셈 인자는 전하 캐리어의 이온화 속도와 관련이 있으며, 이는 드리프트의 단위 거리당 생성된 전자{0}}정공 쌍의 평균 수를 나타냅니다. 전자 이온화 속도와 정공 이온화 속도는 서로 다르며 각각 ₀ 및 2로 표시됩니다. 이는 역방향 바이어스 전압, 공핍 영역 폭, 도핑 농도 등의 요소와 관련되며 ₀로 표시됩니다.
공식에서 k는 광검출기의 성능을 측정하는 이온화 계수입니다.
M에 대한 이온화 속도의 영향은 다음 공식으로 나타낼 수 있습니다.
= 0일 때, 전자만 눈사태 과정에 참여하고, M=e^(-Ω), 이득은 Ω에 따라 기하급수적으로 증가합니다. Ω= 1 및 -1일 때 식(3-26)에 따라 M → 및 애벌런치 항복이 발생합니다. 일반적으로 M 값의 범위는 10~500입니다. APD의 눈사태 항복은 인가된 역바이어스 전압이 너무 크기 때문에 발생합니다. M과 역방향 바이어스 전압 사이의 밀접한 관계를 고려하면 일반적으로 이들 관계를 설명하기 위해 경험적 공식이 사용됩니다. 즉, 다음과 같습니다.
공식에서 n은 온도-의존 특성 지수, n= 2.5~7입니다. Un은 애벌런치 항복 전압으로, 다양한 반도체 재료에 대해 70V에서 200V까지 다양합니다. U는 역방향 바이어스 전압으로, 일반적으로 UgR의 80~90%로 간주됩니다. APD를 사용할 때는 장치 손상을 방지하기 위해 작동 전압을 애벌런치 항복 전압 미만으로 유지하는 것이 중요합니다.
