Đề tài Bộ thu quang

MỤC LỤC I. LỜI GIỚI THIỆU II. BỘ TÁCH SÓNG PHÔ-TÔ-ĐI ÔT P-I-N Bộ tách sóng phô-tô-đi ôt p-i-n Thời gian đáp ứng và dòng phô tô vùng trôi của bộ tách sóng quang a.Thời gian đáp ứng b. Dòng phô tô vùng trôi 3. Phô tô đi ôt thác APD 4. Vật liệu chế tạo phô tô đi ôt III.TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU CỦA BỘ TÁCH SÓNG QUANG Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng quang Tỷ số tín hiệu trên nhiễu IV. BỘ THU QUANG 1. Cấu hình bộ thu quang 2. Các nguồn lỗi trong bộ thu quang V.ĐỘ NHẠY CỦA BỘ THU QUANG 1. Giới thiệu về độ nhạy của bộ thu quang 2. Độ nhạy thu quang và tỷ số lỗi bit của bộ thu quang a. Tỷ số lỗi bit trong bộ thu quang b. Độ nhạy thu của bộ thu quang c. Các tham số ảnh hưởng đến độ nhạy của bộ thu quang VI. CẤU TRÚC MẠCH BỘ THU QUANG Các mạch khếch đại FET trở kháng cao Các bộ khếch đại transistor lưỡng cực trở kháng cao Bộ khếch đại hỗ dẫn ngược Đặc tính bộ thu quang có mạch tích hợp VII.CÁC MÁY THU QUANG HIỆN NAY ***************** I. GIỚI THIỆU Thiết bị thu quang, hay còn gọi là bộ thu quang, là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới, và cũng vì thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Chức năng chính của nó là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Thiết bị thu quang cần có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và bảo đảm độ tin cậy cao. Tại bộ thu quang, sóng tín hiệu quang từ phía phát đi tới, được biến đổi thành tín hiệu điện, rồi được khuyếch đại và phục hồi trở lại thành tín hiệu cùng dạng như ở đầu vào thiết bị phát quang. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện tại bộ biến đổi quang điện (O/E). Bộ biến đổi quang điện thường là một bộ tách sóng phô-tô-điôt. Đây là một bộ tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện (dòng photo tại đầu ra của nó). Vì thế mà bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp DD (Direct Detection). Tín hiệu quang từ phía phát đi vào sợi quang sẽ dễ bị suy hao dần, và độ méo tăng lên theo độ dài cự ly truyền dẫn do tác động của tán xạ, hấp thụ và tán sắc trong sợi dẫn quang. Vì vậy, bộ thu quang phải làm việc trong điều kiện gặp nhiều các yếu tố tác động. việc thiết kế thiết bị thu quang sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với thiết bị phát quang. Bộ thu phải đảm bảo thu được tín hiệu rất yếu, bị méo và phải tách được các thành phần nhiễu khá lớn so với tín hiệu. trong các bộ thu quang số thực tế, tín hiệu điện yếu thu được tại đầu ra bộ tách song sẽ được khuyếch đại, cân bằng tại các bộ khuyếch đại điện và bộ cân bằng tương ứng. Cuối cùng, tín hiệu sẽ được phục hồi tại mạch quyết định. Để có được một tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, bộ thu quang cần phải thỏa mãn những yêu cầu chính sau đây: + Có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ration) lớn và độ nhạy thu cao. + Hoạt động trong điều kiện tín hiệu có băng tần lớn. II.BỘ TÁCH SÓNG PHÔ-TÔ-ĐIỐT 1. Bộ Tách Sóng Phô-tô-điôt p-i-n - Đây là bộ tách sóng quang được sử dụng rộng rãi nhất. Một phô-tô-điôt thông thường có cấu trúc gồm các vùng p và n cách nhau bởi một vùng i. để thiết bị hoạt động thì phải cấp một thiên áp ngược cho nó. Trong chế độ hoạt động bình thường, thiên áp ngựợc đủ lớn được đặt cắt ngang thiết bị để cho vùng bên trong đảm bảo hoàn toàn trôi được các hạt mang.
Hình 1 :Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng cho phô-tô- đi ôt p-i-n -Do cấu trúc cơ bản bên trong của nó, lớp i nằm ở giữa có trở kháng cao và hầu hết điện áp đặt vào phần ngang của nó. Kết quả là có một điện trường lớn tồn tại trong lớp i. Khi có một photon đi tới mà mang một năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) với năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo phô-tô-điôt,photon này có thể bỏ ra năng lượng của nó và kích thích một điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử-lỗ trống tự do, các cặp này chủ yếu được phát ra trong vùng trôi và được gọi là các hạt mang photo hoặc các điện tử photo. -Sự phát ánh sáng được hấp thụ trong vật liệu tương ứng với một hàm mũ sau đây: P(x) = Pin(1-e-
(
)x) (2.1)
s là hệ số hấp thụ tại bước sóng
, Pin là mức công suất quang tới phô-tô-điôt và P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào một vài loại vật liệu bán dẫn thường được sử dụng để chế tạo phô-tô-điôt. Bước sóng cắt phía trên
c mà tại đó
bằng không được gọi là bước sóng cắt, từ đó vật liệu có thể được sử dụng cho bộ tách sóng khi
. Bước sóng cắt trên được xác định từ năng lượng dải cấm Eg của vật liệu. Khi Eg được diễn giải bằng đơn vị điện-Von(eV) và
được tính bằng micrômet (
) thì ta có:
(2.2) Với c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck. Bước sóng cắt của Si vào khoảng 1,06
và của Ge vào khoảng 1,6
. Đối với bước sóng dài hơn, năng lượng của photon không đủ để kích thích điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Đối với bước sóng ngắn hơn, đáp ứng photo sẽ cắt xuống vì thế các giá trị của
s tại bước sóng ngắn hơn là rất lớn. Trong trường hợp này các photo được hấp thụ rất gần với bề mặt của bộ tách sóng, nơi mà thời gian tái hợp của các cặp điện tử-lỗ trống là rất ngắn. Nếu như vùng trôi có độ rộng w, công suất tổng được hấp thụ ở cự ly w sẽ là: P(w) = Pin(1 - e-
) (2.3) Khi tính đến sự phản xạ Rf tại lối vào bề mặt phô-tô-điôt, dòng photo ban đầu Ip có từ sự hấp thụ công suất ở công thức 2.3 được viết như sau:
=

(
)(
) (2.4) e là điện tích điên tử, hv là năng lượng photon, h = 6.625 x 10-34 Js là hằng số Planck, và v là tần số của sóng ánh sáng. Khi nói đến các tham số của phô-tô-điôt, có hai tham số rất quan trọng phải kể đến. Thứ nhất, mỗi một phô-tô-điôt có một hiệu suất lượng tử
của nó. Hiệu suất lượng tử là tỷ số giữa các cặp điện tử-lỗ trống được phát ra và số các photon mang năng lượng hv đi tới và được viết như sau:
(2.5)
Với Ip là dòng photo có giá trị trung bình, dòng này được phát ra từ công suất quang trung bình Pin trong phô-tô-điôt. Khi có 100 photo đến phô-tô-điôt có thể tạo ra từ 40 đến 95 cặp điện tử-lỗ trống. Vậy ta có thể nói rằng phô-tô-điôt có hiệu suất lượng tử từ 40 đến 95%. Để có đươc hiệu suất lượng tử cao, vùng trôi phải đủ dày để hầu hết các photon đi tới được hấp thụ trong vùng này. Tham số thứ hai là hệ số chuyển đổi dòng photo R còn gọi là đáp ứng R. Đặc tính của phô-tô-điôt được đặc trưng bởi đáp ứng R này:

(2.6) Tham số này rất hay được sử dụng đến vì nó đặc trưng cho dòng photo phát ra trên một đơn vị công suất quang. Cả hiệu suất lượng tử
và R đều phụ thuộc vào dải cấm vật liệu, bước sóng công tác, độ dày của các vùng p, n, i của phô-tô-điôt. Khi thiết bị có vùng trôi đủ dày, hiệu suất lượng tử của nó sẽ cao. Tuy nhiên, vùng trôi càng dày thì thì các hạt mang photo phát ra càng phải cần thời gian trôi dài hơn ngang qua tiếp giáp phân cực ngược. Vì thời gian trôi của các hạt mang xác định tốc độ đáp ứng của phô-tô-điôt, nên cần phải dung hòa giữa hiệu suất lượng tử và tốc độ đáp ứng. Đối với các bán dẫn có vùng cấm gián tiếp như Si và Ge, độ rộng vùng trôi w nằm trong khoảng 20-50
để đảm bảo hiệu suất lượng tử hợp lý. Băng tần của các phô-tô-điôt bị giới hạn do thời gian chuyển dịch tương đối lâu. Đối với các phô-tô-điôt được chế tạo từ vật liệu có dải cấm trực tiếp như vật liệu ghép InGaAs, độ rộng vùng trôi w có thể nhỏ tới 3-5
, và vì thế mà độ rộng băng được cải thiện. Hiệu suất lượng tử của phô-tô-điôt thường là độc lập với mức công suất đổ vào bộ tách sóng tại năng lượng photon đã cho. Vậy thì đáp ứng là một hàm tuyến tính của công suất quang. Điều đó có nghĩa là dòng photo IP sẽ tỷ lệ trực tiếp với công suất quang Pin đi vào phô-tô-điôt, vậy thì đáp ứng R là hằng số tại bước sóng hoặc giá trị hv đã cho. Cuối cùng đáp ứng R là một hàm của bước sóng và vật liệu phô-tô-điôt. Tuy nhiên hệ số lượng tử không là một hằng số ở mọi bước sóng, vì nó thay đổi theo năng lượng photon. Đặc tính của các phô-tô-điôt p-i-n có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng cấu trúc dị thể kép. Tương tự như cấu trúc của lazer LD bán dẫn, lớp i ở giữa được kẹp giữa các lớp chất bán dẫn khác nhau p và n với dải cấm được chọn để sao cho ánh sáng được hấp thụ chỉ trong lớp i. Cấu trúc phô-tô-điôt kiểu này thường sử dụng InGaAs làm lớp giữa và InP làm lớp p và n bao quanh. Lớp InGaAs ở giữa sẽ hấp thụ mạnh bước sóng ở vùng 1.3-1.6
. Mặt trước thường được phủ bằng lớp cách điện phù hợp để giảm phản xạ tới mức nhỏ nhất. Hiệu suất lượng tử hầu hết là đạt được gần như 100% từ InGaAs với độ dày 4-5
. Các phô-tô-điôt sử dụng InGaAs là hoàn toàn phù hợp cho các bộ thu quang thực tế trong các hệ thống thông tin quang.
Hình 2: Hiệu suất lượng tử và đáp ứng là các hàm số của bước sóng với các vật liệu làm phô-tô- đi ôt khác nhau Tham số  Đơn vị  Si  Ge  InGaAs   Bước sóng
Đáp ứng R Hiệu suất lượng tử
Dòng tối Id Thời gian lên Tr Băng tần
Thiên áp Vb 
A/W % nA ns GHz V  0,4-1,1 0,4-0,6 79-90 1-10 0,5-1 0,3-0,6 50-100  0,8-1,8 0,5-0,7 50-55 50-500 0,1-0,5 0,5-3 6-10  1,0-1,7 0,6-0,9 60-70 1-20 0,05-0,5 1-5 5-6   Bảng 4.1 Các đặc tính của các phô-tô-điôt p-i-n tiêu biểu Phô-tô-điôt p-i-n cũng đã được phát triển với các nỗ lực của công nghệ tiên tiến. Từ 1990 đến nay, các cố gắng đáng nể đã đi theo hướng phát triển các phô-tô-điôt p-i-n tốc độ cao có khả năng hoạt động trên 10Gbit/s. Năm 1995, các phô-tô-điôt đã được ra mắt với băng tần 110GHz. Một vài kỹ thuật đã được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của phô-tô-điôt tốc độ cao.Hốc cộng hưởng Fabry-Perot (FP) được tạo xung quanh cấu trúc p-i-n là để làm tăng hiệu suất lượng tử. Phô-tô-điôt hiện nay có thể đạt được hiệu suất lượng tử gần 100% là nhờ việc tạo thành công một gương trong hốc FP bằng biện pháp tạo dải phản xạ Bragg trong lớp AlGaAs/AlAs. Cấu trúc này có thể cho phép tạo được các phô-tô-điôt với băng tần rất cao trên 100GHz mà vẫn có hiệu suất lượng tử cao. Một cách khác để tạo ra các phô-tô-điôt tốc độ cao là sử dụng một ống dẫn sóng quang để ghép cạnh tín hiệu quang. Trái với lazer bán dẫn, ống dẫn song này có thể được làm rộng để hỗ trợ các mode ngang nhằm cải thiện hiệu suất ghép. Hiệu suất lượng tử ở đây có thể đạt gần 100% ngay cả khi có lớp hấp thụ cực mỏng, và băng tần có thể đạt tới 110GHz bằng cách phỏng tạo ống dẫn song “mushroom-meza”. Đặc tính của các phô-tô-điôt còn có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách phỏng tạo cấu trúc điện cực nhằm hỗ trợ cho các sóng điện lan truyền với trở kháng phù hợp để tránh các phản xạ. Các phô-tô-điôt như vậy được gọi là các phô-tô-điôt sóng chạy. Các phô-tô-điôt làm từ GaAs dựa trên cấu trúc này có thể có băng tần trên 170GHz và hiệu suất lượng tử đạt trên 50% khi mà ống dẫn sóng rộng
và trở kháng đặc tính là 50
. 2.Thời gian đáp ứng và dòng photo vùng trôi của bộ tách sóng quang a. Thời gian đáp ứng - Thời gian đáp ứng là một yếu tố quan trọng của bộ tách sóng quang để xác định khả năng làm việc của bộ thu quang với các tốc độ khác nhau của hệ thống truyền dẫn. Thời gian đáp ứng của phô-tô-điôt cùng với các mạch điện đầu ra của nó phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố sau: + Thời gian chuyển dịch của các hạt mang photo trong vùng trôi + Thời gian khuyếch tán của các hạt mang photo được phát tán ra bên ngoài vùng trôi. + Hằng số thời gian RC của phô-to-điôt và các mạch điện liên quan của nó. - Các tham số có liên quan của phô-tô-điôt đối với các tham số này là hệ số hấp thụ
s, độ rộng vùng trôi w, các điện dung tiếp giáp phô-tô-điôt và đóng vỏ, điện dung bộ kkhuếch đại điện, điện trở tải bộ tách sóng, điện trở đầu vào bộ khuếch đại, điện trở nối tiếp của phô-tô-điôt. Trong các bộ tách sóng thực tế, điện trở nối tiếp thường rất nhỏ và có thể bỏ qua khi so với điện trở tải và điện trở đầu vào bộ khuếch đại. Trước hết ta xem xét thời gian dịch chuyển của các hạt mang photo trong vùng trôi. Thời gian chuyển dịch chủa các hạt mang photo sẽ làm hạn chế tốc độ đáp ứng của phô-tô-điôt. Nó là thời gian cần thiết đối với các hạt mang photo đi ngang qua vùng trôi. Thời gian chuyển dịch này phụ thuộc vào vận tốc trôi hạt mang và độ rộng vùng trôi. Nếu ta gọi thời gian chuyển dịch la Tt, vận tốc trôi hạt mang là Vd và độ rộng vùng trôi là w thì ta có:

( 2.7) Trong thực tế, trường điện trong vùng trôi nhìn chung là đủ lớn để các hạt mang đạt được vận tốc giới hạn tán xạ của chúng. Đối với Si, tốc độ lớn nhất của các điện tử là 8.4 x 106 cm/s và của lỗ trống là 4.4 x 106 cm/s khi cường độ điện trường ở mức 2 x 104 V/cm. Phô-tô-điôt Silic tốc độ cao có độ rộng vùng trôi điển hình là 10 nên có giới hạn thời gian đáp ứng vào khoảng 0,1ns.
Hình 3 : Đáp ứng phô-tô điôt cho xung quang đầu vào Quá trình khuyếch tán là chậm so với sự trôi của các hạt mang trong vùng có điện trường cao. Vì vậy, để có được phô-tô-điôt tốc độ cao, các hạt mang photo cần phải được phát ra ở vùng trôi hoặc gần với vùng này để cho thời gian khuếch tán là ít hơn hoặc bằng với thời gian trôi hạt mang. ảnh hưởng của thời gian khuyếch tán dài có thể có thể được xem xét thông qua thời gian đáp ứng phô-tô-điôt. Thời gian đáp ứng phô-tô-điôt được mô tả bằng thời gian lên và xuống của đầu ra bộ tách sóng khi bộ tách sóng tiếp cận một xung tín hiệu quang ở đầu vào. Trong hình 4.3a, chúng ta gọi thời gian lên Tr thường được tính bắt đầu từ 10% đến 90% của sườn trước (sườn lên) của xung đầu ra, thời gian xuống Tf thường được xác định từ điểm 90% đến 10% của sườn sau (sườn xuống) của xung đầu ra. Ở các phô-tô-điôt nghèo hoàn toàn, thời gian lên Tr và thời gian xuống Tf là gần như nhau. Tuy nhiên chúng có thể khác nhau ở các mức điện áp thấp, nơi mà phô-tô-điôt không hoàn toàn nghèo, vì sau thời gian thu nhận, photon mới bắt đầu tham gia vào thời gian lên. Thời gian đáp ứng điển hình của phô-tô-điôt nghèo một phần được mô tả như hình 4.3b. Các hạt mang nhanh cho phép đầu ra thiết bị lên tới 50% giá trị lớn nhất ở khoảng 1 nm. Nhưng các hạt mang chậm gây ra trễ khá lâu trước khi đầu ra tiến tới giá trị lớn nhất của nó.
Hình 4 :Đáp ứng xung của phô-tô-điot với các tham số tách sóng khác nhau Để đạt được hiệu suất lượng tử cao, độ rộng vùng trôi phải lớn hơn, để sao cho hầu hết ánh sáng được hấp thụ. Đáp ứng đối với xung đầu vào hình chữ nhật của phô-tô-điôt điện dung thấp có được mô tả ở hình 4.4b. Thời gian lên và xuống của phô-tô-điôt theo xung đầu vào hoàn toàn tốt. Nếu điện dung phô-tô-điôt lớn hơn, thời gian đáp ứng sẽ bị hạn chế bởi thời gian đáp ứng RC của điện trở tải RL và điện dung phô-tô-điôt. Đáp ứng này như hình 4.4c. Nếu vùng trôi quá hẹp, bất kỳ một hạt mang nào được tạo ra trong vật liệu không nghèo sẽ phải khuếch tán trở lại vùng trôi trước khi chúng được thu nhận. Như vậy, thiết bị có các vùng trôi rất mỏng sẽ có hướng phân ra thành các thành phần đáp ứng chậm và đáp ứng nhanh như hình 4.4d. Thành phần đáp ứng nhanh ở thời gian lên sẽ ứng với các hạt mang được phát ra trong vùng trôi, nhưng trái lại thành phần chậm xuất hiện do sự khuyếch tán các hạt mang được tạo ra ở trong cự ly Ln bắt đầu từ cạnh của vùng trôi. Ở cuối xung quang, các hạt mang ở trong vùng trôi được thu nhận rất nhanh, điều này tạo ra thành phần đáp ứng nhanh ở trong thời gian xuống. Sự khuếch tán các hạt mang ở trong cự ly Ln của cạnh vùng trôi xuất hiện như một đuôi xung xuống chậm. Cũng như vậy, nếu w quá mỏng, điện dung tiếp giáp sẽ trở lên quá mức. Điện dung tiếp giáp Cj được cho là:
=
(2.8) Với
s là hằng số điện môi của vật liệu bán dẫn, bằng, trong đó
0ks là hằng số cách điện bán dẫn,
0 = 8.8542 x 10-12 F/m là hằng số điện môi ở không gian tự do, và A là diện tích vùng khuếch tán. Sự vượt quá mức này sẽ làm tăng hằng số thời gian RC giới hạn thời gian đáp ứng bộ tách song. Với độ dày vùng hấp thụ nằm trong khoảng giữa
và
thì sẽ dung hòa được đáp ứng tần số cao với hiệu suất lượng tử cao. Nếu RT là tổng của các điện trở đầu vào và tải bộ khuyếch đại, và CT là tổng các điện dung phô-tô-điôt và bộ khuyếch đại, mà sẽ được mô tả trong sơ đồ phần phân tích về nhiễu sau này, thì bộ tách sóng có thể được coi như một bộ lọc thông thấp RC với băng thông là:

( 2.9) b. Dòng photo vùng trôi - Khi thảo luận về bộ tách sóng quang, phô-tô-điôt phải thu tín hiệu quang rất yếu để biến đổi nó thành tín hiệu điện. Tín hiệu quang đi vào thiết bị thông qua lớp p và tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống vì nó được hấp thụ trong vật liệu bán dẫn. Các cặp điện tử-lỗ trống ấy mà đã được phát trong vùng trôi hoặc trong độ dài khuyếch tán của nó, sẽ được phân cách bởi môi trường điện áp ngược, từ đó dẫn đến dòng điện chảy trong mạch ngoài vì có sự trôi hạt mang ngang qua vùng trôi. - Vì các hạt mang điện tích chảy qua vật liệu, một số các cặp điện tử-lỗ trống sẽ tái hợp và rồi biến mất. Trung bình thì các hạt mang điện tích sẽ chuyển động với một cự ly là Ln dối với các điện tử và Lp đối với các lỗ trống. Cự ly này được gọi là độ dài khuyếch tán. Thời gian để hoàn thành sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống được gọi là tuổi thọ của hạt mang và được ký hiệu tương ứng bằng và. Các tuổi thọ và độ dài khuyếch tán có mối quan hệ như sau:
và

(2.10) Với Dn và Dp tương ứng là các hệ số khuyếch tán điện tử và lỗ trống, được diễn giải bằng đơn vị centimeter bình phương trên giây. Ở các điều kiện trạng thái bền vững, mật độ dòng tổng Jtot chảy qua vùng trôi là:
(2.11) Với Jdr là mật độ dòng trôi sinh ra từ các hạt mang ở bên trong vùng trôi, và Jdi là mật độ dòng khuyếch tán có từ các hạt mang được tạo ra ở ngoài vùng trôi trong khối bán dẫn (trong các vùng p và n) và khuyếch tán vào tiếp giáp phân cực ngược. Vì lớp p bề mặt của phô-tô-điôt p-i-n thường là rất mỏng, dòng khuyếch tán được xác định chủ yếu bởi sự khuyếch tán lỗ trống từ vùng n. Cuối cùng, G. Keiser đã đưa ra kết quả như sau:
(2.12) Với Pn0 là mật độ lỗ trống cân bằng. Số hạng có liên quan Pn0 thường làn nhỏ để dòng photo được phát ra tỷ lệ với dòng photon ф0. 3.Phôtô-điốt thác APD Tất cả các bộ tách sóng luôn đòi hỏi một dòng tối thiểu nào đó để hoạt động một cách tin cậy. Dòng này được chuyển thành công suất tối thiểu thông qua quan hệ Pin = Ip / R. Vì vậy, các bộ tách sóng có đáp ứng R lớn và cần thiết vì chúng yêu cầu một công suất quang nhỏ hơn là đủ. Chúng ta biết rằng phôtô-điốt p-i-n, vì nó được thiết kế để cho ra sự bộ khuếch đại (tăng ích) dòng bên trong. Sau khi biến đổi các photo thành các điện tử photo, nó khuếch đại ngay dòng photo ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại diện tiếp sau và điều này làm tăng mức tín hiệu, dẫn tới độ nhạy thu được tăng lên đáng kể. Để thu được hiệu ứng nhân bên trong, các hạt mang quang sẽ được tăng dàn năng lượng tới mức đủ lớn để ion hóa các điện tử xung quang do va chạm với chúng. Các điện tử xung quang được đẩy từ vùng hóa trị tới vùng dẫn, rồi tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện. các hạt mang mới đực tạo ra này sẽ tiếp tục đực gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện tử lỗ trống khác. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng thác. Quá trình thác dẫn tới làm tăng dòng điện tử photo. Đối với phôtô – điốt Si , ngưỡng trường điện cần thiết để thu được sự nhân là ở mức 105 V/cm. Cấu trúc thông dụng của một photodiot thác APD có thể mô tả như hình 5. Nó được cấu tạo gồm có vật liệu loại p điện trở suất cao dặt làm lớp epitaxi nền p. Sau đó người ta khuếch tán hoặc cấy lớp n+ (loại n pha tạp nặng ). Hai vùng cách nhau bởi một điện trường thấp (nơi mà các photon được hấp thụ và các hạt mang quang trôi theo chiều phân cực của nó) và một vùng trường điện cao (nơi mà các hạt mang được gia tốc và chịu quá trình nhân). Đối với Si, chất kích tạp ở vùng này thường tương ứng là Bo hoặc phốt pho. Cấu trúc như vậy thường được gọi là cấu trúc cận xuyên p+ipn+. Lớp I (hay
) cơ bản là lớp vật liệu