Qu'est-ce qu'une photodiode PIN ?

La signification de PIN (Post-Intrinsic-Negative) est qu'une couche de matériau semi-conducteur avec une très faible concentration de dopage (comme le Si) est insérée entre les matériaux semi-conducteurs de type P- et de type N-. Cette couche est notée I (intrinsèque) et est appelée région intrinsèque. La structure d'unPhotodiode PIN(PIN-PD) est affiché dans la figure de gauche. Sur la figure, une fois que la lumière incidente entre dans la région P*, elle est absorbée non seulement dans la région de déplétion mais également en dehors de la région de déplétion. Ces absorptions constituent la composante de diffusion du photocourant. Par exemple, les électrons de la région P* diffusent d’abord vers la limite gauche de la région d’appauvrissement, puis traversent la région d’appauvrissement pour atteindre la région N*. De même, les trous dans la région N' diffusent jusqu'à la limite droite de la région d'appauvrissement avant de traverser la région d'appauvrissement pour atteindre la région P*. Le photocourant dans la région d’appauvrissement est appelé composante de dérive et son temps de propagation dépend principalement de la largeur de la région d’appauvrissement. Bien entendu, le temps de propagation de la composante du courant de diffusion est plus long que celui de la composante du courant de dérive. En conséquence, le front arrière de l'impulsion de courant de sortie du photodétecteur est allongé et le retard qui en résulte affectera la vitesse de réponse du photodétecteur.

Si la région de déplétion est étroite, la plupart des photons atteindront la région N+ avant d’être absorbés par la région de déplétion. Dans cette région, le champ électrique est très faible et ne peut pas séparer les électrons des trous, ce qui entraîne une efficacité quantique relativement faible.

Une largeur de région d'appauvrissement plus étroite *w* entraîne une capacité de jonction plus grande et une constante de temps RC plus grande, ce qui est préjudiciable à la transmission de données à grande vitesse-.

Compte tenu des effets du temps de dérive et de la capacité de jonction, la bande passante d'une photodiode peut être exprimée comme suit :

Dans la formule, R₁est la résistance à la charge.

L'analyse ci-dessus démontre qu'il est essentiel d'augmenter la largeur de la région d'épuisement.

Comme le montre la figure ci-dessus, la largeur de la région I- est beaucoup plus grande que celle des régions P+ et N+. Par conséquent, davantage de photons sont absorbés dans la région I-, augmentant l'efficacité quantique tout en maintenant un faible courant de diffusion. La tension de polarisation inverse de la photodiode PIN peut être réglée sur une valeur plus petite car l'épaisseur de sa région d'appauvrissement est essentiellement déterminée par la largeur de la région I-.

 

Bien sûr, une région I-plus large n'est pas toujours meilleure. Une plus grande largeur (w) entraîne un temps de dérive plus long pour les porteurs dans la région d'appauvrissement, limitant ainsi la bande passante. Une réflexion globale est donc nécessaire. Étant donné que différents matériaux semi-conducteurs ont des coefficients d'absorption différents pour différentes longueurs d'onde de lumière, la largeur de la région intrinsèque (région I-) varie. Par exemple, la largeur de la région I-d'une photodiode Si PIN est d'environ 40 mm, tandis que celle d'une photodiode InGaAs PIN est d'environ 4 mm. Cela détermine les différentes bandes passantes et plages de longueurs d'onde des photodétecteurs fabriqués à partir de ces deux matériaux différents : les photodiodes Si PIN sont utilisées dans la bande 850 nm, tandis que les photodiodes InGaAs PIN sont utilisées dans les bandes 1 310 nm et 1 550 nm.

(APD)Photodiode à avalanche

Un APD (Avalanche Photodiode) est un photodétecteur très sensible qui utilise l'effet d'avalanche pour multiplier le photocourant. Le principe de l'effet d'avalanche est le suivant : un signal lumineux incident génère des paires d'électrons-trous initiales dans l'APD. En raison de la tension de polarisation inverse élevée appliquée à l'APD, ces paires d'électrons-trous accélèrent sous l'influence du champ électrique, gagnant ainsi une énergie cinétique significative. Lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes neutres, les électrons de la bande de valence des atomes neutres gagnent de l'énergie et sautent vers la bande de conduction, générant ainsi de nouvelles paires d'électrons-trous, appelées paires d'électrons-trous secondaires. Ces porteurs secondaires peuvent également entrer en collision avec d'autres atomes neutres sous un champ électrique puissant, générant de nouvelles paires d'électrons -trous, induisant ainsi le processus d'avalanche qui produit de nouveaux porteurs. En d’autres termes, un photon génère finalement de nombreux porteurs, amplifiant le signal optique au sein de l’APD. Structurellement, la différence entre une photodiode APD et une photodiode PIN réside dans l'ajout d'une couche P supplémentaire. La structure d'un APD est illustrée à la figure 3-18. En cas de polarisation inverse, un fort champ électrique existe dans la jonction PN prise en sandwich entre la couche I et la couche N*. Une fois que le signal lumineux incident pénètre dans la région I depuis la région P* gauche, il est absorbé dans la région I pour générer des paires électron-trou. Les électrons de la région I dérivent rapidement vers la région de la jonction PN, et le fort champ électrique dans la jonction PN amène les électrons à produire un effet d'avalanche.

Structurellement, la différence entre une photodiode APD et une photodiode PIN réside dans l'ajout d'une couche supplémentaire, P. La structure d'une APD est illustrée dans la figure de droite. En polarisation inverse, un fort champ électrique existe dans la jonction PN prise en sandwich entre les couches I et N+. Une fois que le signal lumineux incident pénètre dans la région I depuis la région P+ gauche, il est absorbé dans la région I, générant des paires d'électrons-trous. Les électrons dérivent rapidement vers la région de la jonction PN et le fort champ électrique dans la jonction PN provoque un effet d'avalanche.

apprendre encore plus

Par rapport aux photodiodes PIN, le photocourant est amplifié en interne par l'APD, évitant ainsi le bruit introduit par les circuits externes. D'un point de vue statistique moyen, en supposant qu'un photon génère M porteurs, cela est égal au rapport du photocourant I émis après l'avalanche APD au photocourant initial I avant multiplication.

Dans la formule, M est appelé facteur de multiplication.

Le facteur de multiplication est lié au taux d'ionisation des porteurs de charge, qui fait référence au nombre moyen de paires d'électrons -trous générés par unité de distance de dérive. Le taux d'ionisation des électrons et le taux d'ionisation des trous sont différents, désignés respectivement par ₀ et ₂. Ils sont liés à des facteurs tels que la tension de polarisation inverse, la largeur de la région d'appauvrissement et la concentration de dopage, et sont notés ₀.

Dans la formule, k est le coefficient d'ionisation, qui est une mesure des performances d'un photodétecteur.

L'effet du taux d'ionisation sur M peut être donné par la formule suivante :

Lorsque=0, seuls les électrons participent au processus d'avalanche, M=e^(-ω), et le gain augmente de façon exponentielle avec ω. Lorsque ω=1 et -1, selon l'équation (3-26), M → ∞, et une rupture d'avalanche se produit. Généralement, la valeur de M est comprise entre 10 et 500. Le claquage par avalanche dans un APD se produit parce que la tension de polarisation inverse appliquée est trop élevée. Compte tenu de la relation étroite entre M et la tension de polarisation inverse, une formule empirique est couramment utilisée pour décrire leur relation, à savoir :

Dans la formule, n est un indice caractéristique dépendant de la température-, n=2.5~7 ; Un est la tension de claquage par avalanche, qui varie de 70 à 200 V pour différents matériaux semi-conducteurs ; U est la tension de polarisation inverse, qui est généralement comprise entre 80 % et 90 % de UgR. Lors de l'utilisation d'un APD, il est essentiel de s'assurer que la tension de fonctionnement est maintenue en dessous de la tension de claquage par avalanche pour éviter d'endommager l'appareil.