Typ struktury urządzenia fotodetektorowego

Rodzajurządzenie fotodetektorowestruktura
Fotodetektorjest urządzeniem, które zamienia sygnał optyczny na sygnał elektryczny. Ze względu na swoją strukturę i różnorodność można je podzielić na następujące kategorie:
(1) Fotodetektor fotoprzewodzący
Gdy urządzenia fotoprzewodzące są wystawione na działanie światła, nośniki fotogenerowane zwiększają swoją przewodność i zmniejszają rezystancję. Nośniki wzbudzone w temperaturze pokojowej poruszają się kierunkowo pod wpływem pola elektrycznego, generując w ten sposób prąd. W warunkach światła elektrony są wzbudzane i następuje przejście. Jednocześnie, pod wpływem pola elektrycznego, dryfują one, tworząc fotoprąd. Powstałe nośniki fotogenerowane zwiększają przewodność urządzenia, a tym samym zmniejszają jego rezystancję. Fotodetektory fotoprzewodzące zazwyczaj charakteryzują się wysokim wzmocnieniem i dużą reakcją, ale nie reagują na sygnały optyczne o wysokiej częstotliwości, co powoduje, że ich szybkość reakcji jest niska, co ogranicza zastosowanie urządzeń fotoprzewodzących w niektórych aspektach.

(2)Fotodetektor PN
Fotodetektor PN powstaje w wyniku kontaktu między materiałem półprzewodnikowym typu P a materiałem półprzewodnikowym typu N. Przed utworzeniem kontaktu oba materiały znajdują się w oddzielnym stanie. Poziom Fermiego w półprzewodniku typu P znajduje się blisko krawędzi pasma walencyjnego, podczas gdy poziom Fermiego w półprzewodniku typu N znajduje się blisko krawędzi pasma przewodnictwa. Jednocześnie poziom Fermiego materiału typu N na krawędzi pasma przewodnictwa jest stale przesuwany w dół, aż poziom Fermiego obu materiałów znajdzie się w tym samym położeniu. Zmianie położenia pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego towarzyszy również zagięcie pasma. Złącze PN znajduje się w równowadze i ma jednolity poziom Fermiego. Z punktu widzenia analizy nośników ładunku, większość nośników ładunku w materiałach typu P to dziury, podczas gdy większość nośników ładunku w materiałach typu N to elektrony. Gdy oba materiały stykają się ze sobą, ze względu na różnicę w koncentracji nośników, elektrony w materiałach typu N będą dyfundować do typu P, podczas gdy elektrony w materiałach typu N będą dyfundować w kierunku przeciwnym do dziur. Nieskompensowany obszar powstały w wyniku dyfuzji elektronów i dziur utworzy wbudowane pole elektryczne, które będzie wykazywało dryft nośników, a kierunek dryftu będzie przeciwny do kierunku dyfuzji. ​​Oznacza to, że utworzenie wbudowanego pola elektrycznego zapobiega dyfuzji nośników. Wewnątrz złącza PN występuje zarówno dyfuzja, jak i dryft, dopóki oba rodzaje ruchu się nie zrównoważą, tak że statyczny przepływ nośników będzie równy zeru. Wewnętrzna równowaga dynamiczna.
Gdy złącze PN jest wystawione na działanie promieniowania świetlnego, energia fotonu jest przekazywana do nośnika, co powoduje powstanie fotogenerowanego nośnika, czyli fotogenerowanej pary elektron-dziura. Pod wpływem pola elektrycznego elektron i dziura przemieszczają się odpowiednio do obszaru N i obszaru P, a kierunkowy dryf fotogenerowanego nośnika generuje fotoprąd. Jest to podstawowa zasada działania fotodetektora złącza PN.

(3)Fotodetektor PIN
Fotodioda pinowa to materiał typu P i typu N. Pomiędzy warstwą I, warstwa I tego materiału jest zazwyczaj materiałem samoistnym lub niskodomieszkowym. Jej mechanizm działania jest podobny do złącza PN. Gdy złącze PIN jest wystawione na działanie promieniowania świetlnego, foton przekazuje energię elektronowi, generując nośniki ładunku generowane fotoelektronowo. Wewnętrzne lub zewnętrzne pole elektryczne rozdziela wygenerowane fotoelektronowo pary elektron-dziura w warstwie zubożonej, a dryfujące nośniki ładunku tworzą prąd w obwodzie zewnętrznym. Rolą warstwy I jest rozszerzenie szerokości warstwy zubożonej, a warstwa I całkowicie staje się warstwą zubożoną pod wpływem wysokiego napięcia polaryzacji, a wygenerowane pary elektron-dziura zostaną szybko rozdzielone. Dlatego szybkość reakcji fotodetektora złącza PIN jest generalnie większa niż detektora złącza PN. Nośniki spoza warstwy I są również zbierane przez warstwę zubożoną poprzez ruch dyfuzyjny, tworząc prąd dyfuzyjny. Grubość warstwy I jest na ogół bardzo mała, a jej celem jest poprawa szybkości reakcji detektora.

(4)Fotodetektor APDfotodioda lawinowa
Mechanizmfotodioda lawinowajest podobny do złącza PN. Fotodetektor APD wykorzystuje silnie domieszkowane złącze PN, napięcie robocze oparte na detekcji APD jest wysokie, a po dodaniu dużego napięcia polaryzacji zaporowej wewnątrz APD następuje jonizacja zderzeniowa i mnożenie lawinowe, a wydajność detektora wzrasta dzięki zwiększonemu fotoprądowi. Gdy APD znajduje się w trybie polaryzacji zaporowej, pole elektryczne w warstwie zubożonej jest bardzo silne, a nośniki fotogenerowane przez światło szybko się rozdzielają i dryfują pod wpływem pola elektrycznego. Istnieje prawdopodobieństwo, że podczas tego procesu elektrony zderzą się z siecią, powodując jonizację elektronów w sieci. Proces ten powtarza się, a zjonizowane jony w sieci również zderzają się z siecią, powodując wzrost liczby nośników ładunku w APD, co skutkuje dużym natężeniem prądu. To właśnie ten unikalny mechanizm fizyczny wewnątrz APD sprawia, że ​​detektory oparte na APD charakteryzują się zazwyczaj dużą szybkością reakcji, dużym wzmocnieniem prądu i wysoką czułością. W porównaniu ze złączem PN i złączem PIN, APD charakteryzuje się szybszą szybkością reakcji, co stanowi najwyższą szybkość reakcji wśród obecnie stosowanych lamp światłoczułych.

(5) Fotodetektor ze złączem Schottky'ego
Podstawową strukturą fotodetektora ze złączem Schottky'ego jest dioda Schottky'ego, której charakterystyka elektryczna jest podobna do charakterystyki złącza PN opisanego powyżej. Charakteryzuje się ona jednokierunkowym przewodnictwem z dodatnim przewodnictwem i odcięciem zaporowym. W przypadku zetknięcia metalu o wysokiej pracy wyjścia i półprzewodnika o niskiej pracy wyjścia, powstaje bariera Schottky'ego, a powstałe złącze jest złączem Schottky'ego. Główny mechanizm jest nieco podobny do złącza PN, biorąc za przykład półprzewodniki typu N. W przypadku zetknięcia dwóch materiałów, ze względu na różne stężenia elektronów w obu materiałach, elektrony w półprzewodniku dyfundują w kierunku metalu. Rozproszone elektrony gromadzą się w sposób ciągły na jednym końcu metalu, niszcząc w ten sposób pierwotną neutralność elektryczną metalu, tworząc wbudowane pole elektryczne od półprzewodnika do metalu na powierzchni styku. Elektrony będą dryfować pod działaniem wewnętrznego pola elektrycznego, a dyfuzja i ruch dryfu nośników będą odbywać się jednocześnie, po pewnym czasie, aby osiągnąć równowagę dynamiczną i ostatecznie utworzyć złącze Schottky'ego. W warunkach oświetlenia obszar bariery bezpośrednio absorbuje światło i generuje pary elektron-dziura, podczas gdy nośniki fotogenerowane wewnątrz złącza PN muszą przejść przez obszar dyfuzji, aby dotrzeć do obszaru złącza. W porównaniu ze złączem PN, fotodetektor oparty na złączu Schottky'ego ma szybszą szybkość reakcji, a szybkość reakcji może osiągnąć nawet poziom ns.