Cấu tạo của một APD đợc mô tả nh hình 2.14 chúng có 4 lớp: lớp P+, lớp π , lớp P và lớp N. nếu không có lớp p thì cấu trúc APD cũng gần tơng tự nh Phôtôđiôt PIN.
Phôtôn lớp phủ AR
N+
P
Hình 2.14.Lợc đồ cấu trúc APD
Phôtôđiôt thác lũ hoạt động dựa trên cơ sở thác lũ. Hình 2.15 mô tả cơ chế thác lũ bên trong APD. Ta có thể mô tả nguyên lý hoạt động của APD nh sau: khi các hạt tải dẫn nhận đợc một năng lợng đủ
lớn, chuyển động với vận tốc cao trong miền điện tích không gian, khi va chạm với các nguyên tử mạng làm chúng bị ion hoá sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống mới; các điện tử này đến lợt mình lại va chạm tiếp với các nguyên tử khác (phản ứng dây truyền). Do đó làm nồng độ hạt tải tăng lên đột ngột. Cuối cùng là nhiều cặp điện tử – lỗ trống đợc sinh ra từ một photon rơi vào chứ không phải một cặp nh Phôtôđiôt thông th- ờng, điều này làm tăng độ nhậy và hệ số khuếch đại của APD.
Để đặc trng cho hiệu ứng này ngời ta đa ra hệ số nhân M M = D p MD I - I I - I (2.27) M = n 1 1 B V IR - V - (2.28)
Trong đó i là dòng tổng cộng, Ip là dòng tổng cộng khi cha có hiện tợng thác lũ. Ip, IMD là dòng tối khi cha có và khi có hiện tợng thác lũ. V là điện áp ngợc áp đặt lên APD, VB là thế đánh thủng, n là một hằng số phụ thuộcvào vật liệu độ pha tạp, chiều dài bớc sóng bức xạ tới.
U
Φ1
Anốt catốt
Hình 2.15. Cơ chế nhân thác lũ trong APD
N+
p
Φ2
Φ3 Φ4 Φ5
Φ5 > Φ4 >Φ3 >Φ2 Φ1 IΦ
Đặc tuyến vôn – ampe của phôtodiot thác lũ đợc mô tả trên hình 2.16. Hiện tợng thác lũ làm cho phôtôđiôt thác lũ có hệ số khuếch đại lớn, dòng quang điện tăng nhanh. Tuy nhiên nếu chiếu sáng không đồng đều hiện tợng thác lũ chỉ xảy ra ở cục bộ mạng tinh thể làm giảm dòng dẫn. Mặt khác APD phụ thuộc nhiều vào điện áp ngợc và nhiệt độ làm việc.