Về cơ bản, cấu trúc APD giống như cấu trúc của PIN nhưng APD bao gồm 4 lớp : p+ - i - p - n+ . Bán dẫn p+, n+ là các bán dẫn pha tạp mạnh. Vùng nhân hạt tải của APD được hình thành do bán dẫn p – n+
Gồm lớp bán dẫn p, n và lớp bán dẫn yếu p-n+ còn gọi là miền thác, cường độ điện trường trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.
Hình 3.11. Cấu tạo bán dẫn của APD (a) và phân bố điện trường trong APD (b).
• P+ N+ là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở của hai vùng này nhỏ, do đó áp rơi rất nhỏ.
• i là vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần như tinh khiết. Nó giống như lớp i của PIN. Hầu như tất cả các photon bị hấp thu trong vùng này, và tạo ra các cặp lỗ trống - điện tử tự do.
b. Nguyên lí hoạt động
APD cũng dựa vào hiện tượng hấp thụ như các Photodiode khác để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Bên cạnh đó, APD còn hoạt động dựa trên nguyên lí khuếch đại dòng.
Ban đầu, khi các photon được chiếu vào bề mặt APD, chúng được hấp thụ và sản sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống. Đặt một điện áp ngược vào APD như hình 3.11a, ta thấy có hiện tượng khuếch đại xảy ra khi điện áp này đạt đến một giá trị đủ lớn để gây hiệu ứng “thác lũ” : Các hạt mang trong vùng nhân p- n+ có điện trường rất mạnh, điện trường này khiến cho chúng tăng năng lượng dần dần đến khi đạt được trạng thái iôn hóa, chúng được tăng tốc, va chạm vào các nguyên tử trong vùng nhân tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Các hạt mang điện mới này lại tiếp tục được tăng tốc, va chạm và tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Vì thế các hạt mang cứ tiếp tục nhân lên và dòng quang điện phát ra ngoài được khuếch đại mà ta gọi là hiệu ứng “thác lũ”. Ta có thể xét quá trình này thông qua các biểu thức toán học sau đây. Tốc độ sinh ra hạt tải thứ cấp được đặc trưng bởi các hệ số iôn hóa αe và αh [cm-1]. Đại lượng này cho biết số lượng
hạt tải mới được sinh ra hay số lượng hạt tải dịch đi trong 1cm chiều dài. Lúc đó quá trình khuếch đại dòng của APD thể hiện qua phương trình tốc độ sau :
= và - = (3.10)
Trong đó : ie , ih là dòng điện tử - e và lỗ trống - h (tức là cả điện tử và lỗ trống đều
tham gia vào quá trình nhân hạt tải) và dòng tổng là :
I = ie + ih (3.11)Nếu coi dòng tổng không đổi, ta có : Nếu coi dòng tổng không đổi, ta có :
= (αe – αh )ie + αh .I (3.12)
Xét trường hợp khả năng iôn hóa của điện tử lớn hơn của năng iôn hóa của lỗ trống ta có : αe>αh. Coi như dòng điện tử chiếm chủ yếu, và chỉ có điện tử đi qua được vùng biên đến vùng bán dẫn n, thì ih(d) = 0 => ie(d) =I. Ta có hệ số khuếch đại dòng (hay hệ số nhân M) được định nghĩa là tỷ lệ giữa dòng đã được khuếch đại và dòng khi chưa được khuếch đại. Như vậy :
M = với d là độ dày của vùng nhân hạt tải. (3.13)
Như vậy, APD đã thực hiện biến đổi dòng tín hiệu quang vào thành dòng tín hiệu điện ra, đồng thời khuếch đại dòng ra với một hệ số khuếch đại là M.