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P­I­N Photodetector

Rahul Dewan

30th March 2007Course Presentation

(Photonics and Optical Communication)

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Outline

● Photodetectors– Photoconductive Detectors– Photodiodes– PIN Photodiodes Ref: [3]

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Photodetectors● Optoelectronic detectors are devices used to 

detect optical radiaton – in most cases optical powers.

● Detectors convert a photon flux into electronic charges or a current, which is then amplified and processed with electronic circuits.

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Photodetectors● Example:

● Types:– Simple semiconductor detector– Junction photodiodes

● PN Photodetector● PIN Photodetector

– Thermal detectors

10 GHz PIN Photodetector

Ref: http://www.oemarket.com

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Photoconductive detectors● Detectors can be simply built from just using 

a p or n doped semiconductor.● Semiconductor band gaps are in the energy 

range of a photon. ● E = hc/λ :: For Si with E = 1.14 eV,  λ = 1um

Ref: [1]

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Photoconductive detectors

Ref: [1]

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Photoconductive detectors

● Drawbacks:– Severe thermal noise– Bulky size– Relatively slow response time.

● Idea:– Use junction semiconductor photodiodes

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PN Photodiode

Ref: [2]

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PN Photodiode ­ Operation

Ref: [2]

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PN Photodiode

● Drawbacks:– Relatively slow response time– Specially for Si (depletion area smaller than 

compared to the diffusion length)

● Idea:– Carriers should be generated where the field is 

large– Add an intrinsic region in between

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PIN Photodiode

Ref: [2]

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PIN Photodiode● Advantages:

● Longer absorption– Higher efficiency

● Response time– PIN order of nanoseconds– PN order of tens of nanoseconds or more

● Capacitance of the device is reduced– Wider frequency response.– Smaller RC => higher speed

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PIN Photodiode● Materials

– Silicon: good sensitivity roughly between 400 nm and 1000 nm (best around 800­900 nm)

– germanium (Ge): good sensitivity roughly between 600 nm and 1800 nm (best around 1400­1500 nm)

– indium gallium arsenide (InGaAs): good sensitivity roughly between 800 nm and 1700 nm (best around 1300­1600 nm)

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Device Optimization● Performance Characteristics

– response speed– quantum efficiency at desired wavelength– size of the active area– noise sensitivity etc.

● For e.g.– Application based on detection of unfocused 

source of light● tradeoff between large active area and device 

response time.

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Conclusion● Semiconductor photodetectors were discussed.● PIN photodiode, which has a wider space 

charge zone is the efficient of the 3 discussed.● But PIN exhibits low internal gain in detection of 

the photodiode.● One solution : use Avalanche Photodiodes.● Photodiode technology still continues to 

advance yielding sophisticated and cost effective products. 

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References

● Introduction to Optical Engineering    (F.T.S. Yu and X. Yang, Cambridge 

University Press)● Optoelectronics   (E. Rosencher and B. Vinter, Cambridge 

University Press)● http://www.rp­photonics.com/

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