PIN-i (Post-Intrinsic-Negative) tähendus seisneb selles, et P--tüüpi ja N--tüüpi pooljuhtmaterjalide vahele sisestatakse väga madala dopingukontsentratsiooniga pooljuhtmaterjali kiht (nt Si). Seda kihti tähistatakse kui I (sisemine) ja seda nimetatakse sisemiseks piirkonnaks. Struktuur aPIN fotodiood(PIN-PD) on näidatud vasakpoolsel joonisel. Joonisel, pärast langeva valguse sisenemist P* piirkonnast, neeldub see mitte ainult ammendumise piirkonnas, vaid ka väljaspool ammendumispiirkonda. Need neeldumised moodustavad fotovoolu difusioonikomponendi. Näiteks P* piirkonna elektronid difundeeruvad esmalt ammendumispiirkonna vasaku piirini ja seejärel läbivad ammendumispiirkonna, et jõuda N* piirkonda. Samamoodi difundeeruvad N'-piirkonna augud ammendumispiirkonna parempoolse piirini enne ammendumise piirkonna läbimist, et jõuda P * piirkonda. Ammendumispiirkonnas olevat fotovoolu nimetatakse triivikomponendiks ja selle levimisaeg sõltub peamiselt ammendumise piirkonna laiusest. Ilmselgelt on difusioonivoolu komponendi levimisaeg pikem kui triivvoolu komponendi oma. Selle tulemusena pikeneb fotodetektori väljundvoolu impulsi tagaserv ja sellest tulenev viivitus mõjutab fotodetektori reageerimiskiirust.
Kui ammendumispiirkond on kitsas, jõuab enamik footoneid N+ piirkonda enne, kui ammendumispiirkond neelab. Selles piirkonnas on elektriväli väga nõrk ega suuda elektrone ja auke eraldada, mille tulemuseks on suhteliselt madal kvantefektiivsus.
Kitsam tühjenduspiirkonna laius *w* toob kaasa suurema ristmiku mahtuvuse ja suurema RC ajakonstandi, mis kahjustab kiiret{0}}andmeedastust.
Arvestades triiviaega ja ristmiku mahtuvuse efekte, võib fotodioodi ribalaiust väljendada järgmiselt:
Valemis on R1on koormustakistus.
Ülaltoodud analüüs näitab, et ammendumispiirkonna laiuse suurendamine on hädavajalik.
Nagu on näidatud ülaltoodud joonisel, on I-piirkonna laius palju suurem kui P+ ja N+ piirkondade laius. Seetõttu neeldub I-piirkonnas rohkem footoneid, suurendades kvantefektiivsust, säilitades samal ajal väikese difusioonivoolu. PIN-fotodioodi pöördpinge saab määrata väiksemale väärtusele, kuna selle tühjenduspiirkonna paksuse määrab sisuliselt I-piirkonna laius.
Muidugi ei ole laiem piirkond{0} alati parem. Suurem laius (w) põhjustab ammendumise piirkonnas kandjate jaoks pikema triiviaja, piirates seega ribalaiust. Seetõttu on vaja kõikehõlmavat kaalumist. Kuna erinevatel pooljuhtmaterjalidel on erinevate valguse lainepikkuste jaoks erinevad neeldumistegurid, on sisemise piirkonna (I-piirkonna) laius erinev. Näiteks Si PIN-fotodioodi I-piirkonna laius on ligikaudu 40 mm, samas kui InGaAs PIN-fotodioodil on ligikaudu 4 mm. See määrab nendest kahest erinevast materjalist valmistatud fotodetektorite erinevad ribalaiused ja lainepikkuste vahemikud: Si PIN-fotodioode kasutatakse 850 nm ribas, InGaAs PIN-fotodioode aga 1310 nm ja 1550 nm ribades.
(APD)Laviini fotodiood
APD (laviini fotodiood) on ülitundlik fotodetektor, mis kasutab fotovoolu mitmekordistamiseks laviiniefekti. Laviiniefekti põhimõte on järgmine: langev signaaltuli tekitab APD-s algsed elektron{1}}augupaarid. APD-le rakendatud kõrge pöördpinge tõttu kiirenevad need elektron-augupaarid elektrivälja mõjul, saades märkimisväärse kineetilise energia. Kui nad põrkuvad neutraalsete aatomitega, saavad neutraalsete aatomite valentsriba elektronid energiat ja hüppavad juhtivusribale, tekitades nii uusi elektron-augupaare, mida nimetatakse sekundaarseteks elektron-augupaarideks. Need sekundaarsed kandjad võivad tugeva elektrivälja all põrkuda ka teiste neutraalsete aatomitega, tekitades uusi elektron{8}}augupaare, kutsudes seega esile laviiniprotsessi, mis tekitab uusi kandjaid. Teisisõnu genereerib üks footon lõpuks palju kandjaid, võimendades optilist signaali APD-s. Struktuurselt seisneb erinevus APD ja PIN-fotodioodi vahel täiendava P-kihi lisamises. APD struktuur on näidatud joonisel 3-18. Pöördpingestamise korral eksisteerib I kihi ja N* kihi vahele jäävas PN-ristmikus tugev elektriväli. Kui langev signaaltuli siseneb vasakust P* piirkonnast I piirkonda, neeldub see I piirkonnas, et tekitada elektron-augu paarid. I piirkonna elektronid triivivad kiiresti PN-siirde piirkonda ja tugev elektriväli PN-siirdes põhjustab elektronide laviiniefekti.
Struktuuriliselt seisneb APD ja PIN-fotodioodi erinevus lisakihi P lisamises. APD struktuur on näidatud parempoolsel joonisel. Vastupidise nihke korral eksisteerib I ja N+ kihtide vahele jäävas PN-ristmikus tugev elektriväli. Kui langev signaaltuli siseneb vasakust P+ piirkonnast I piirkonda, neeldub see I piirkonnas, tekitades elektron{5}}augupaare. Elektronid triivivad kiiresti PN-siirde piirkonda ja tugev elektriväli PN-siirdes põhjustab laviiniefekti.
Võrreldes PIN-fotodioodidega võimendab APD fotovoolu sisemiselt, vältides sellega väliste vooluahelate tekitatud müra. Statistilise keskmise vaatenurgast eeldades, et üks footon genereerib M kandjat, on see võrdne fotovoolu I väljundi pärast APD laviini ja algse fotovoolu I suhtega enne korrutamist.
Valemis nimetatakse M-i korrutusteguriks.
Korrutustegur on seotud laengukandjate ionisatsioonikiirusega, mis viitab keskmisele elektron-augupaaride arvule, mis tekivad triivimiskauguse ühiku kohta. Elektronide ionisatsioonikiirus ja augu ionisatsioonikiirus on erinevad, tähistatud vastavalt ₀ ja 2. Need on seotud selliste teguritega nagu pöördpinge, tühjenduspiirkonna laius ja dopingukontsentratsioon ning tähistatakse kui ₀.
Valemis on k ionisatsioonikoefitsient, mis on fotodetektori jõudluse mõõt.
Ionisatsioonikiiruse mõju M-le saab esitada järgmise valemiga:
Kui=0, osalevad laviiniprotsessis ainult elektronid, M=e^(-ω) ja võimendus suureneb eksponentsiaalselt ω-ga. Kui ω=1 ja -1, toimub võrrandi (3-26) kohaselt M → ∞ ja toimub laviini purunemine. Tavaliselt on M väärtus vahemikus 10 kuni 500. Laviini purunemine APD-s toimub seetõttu, et rakendatud pöördpinge on liiga suur. Arvestades tihedat seost M ja vastupidise eelpinge vahel, kasutatakse nende seose kirjeldamiseks tavaliselt empiirilist valemit, st:
Valemis on n temperatuurist -sõltuv karakteristikute indeks, n=2.5~7; Un on laviini läbilöögipinge, mis varieerub erinevate pooljuhtmaterjalide puhul 70–200 V; U on vastupidine eelpinge, mida üldiselt peetakse 80% kuni 90% UgR-ist. APD kasutamisel tuleb seadme kahjustamise vältimiseks tagada, et tööpinge oleks alla laviini purunemise pinge.
