Typurządzenie fotodetektorowestruktura
Fotodetektorto urządzenie przetwarzające sygnał optyczny na sygnał elektryczny, jego budowę i różnorodność można podzielić głównie na następujące kategorie:
(1) Fotodetektor fotoprzewodzący
Kiedy urządzenia fotoprzewodzące są wystawione na działanie światła, fotogenerowany nośnik zwiększa ich przewodność i zmniejsza ich rezystancję. Nośniki wzbudzone w temperaturze pokojowej poruszają się kierunkowo pod działaniem pola elektrycznego, wytwarzając w ten sposób prąd. Pod wpływem światła elektrony są wzbudzane i następuje przejście. Jednocześnie dryfują pod wpływem pola elektrycznego, tworząc fotoprąd. Powstałe fotogenerowane nośniki zwiększają przewodność urządzenia, a tym samym zmniejszają rezystancję. Fotodetektory fotoprzewodzące zwykle charakteryzują się dużym wzmocnieniem i dużą szybkością reakcji, ale nie mogą reagować na sygnały optyczne o wysokiej częstotliwości, więc szybkość reakcji jest niska, co w niektórych aspektach ogranicza zastosowanie urządzeń fotoprzewodzących.
(2)Fotodetektor PN
Fotodetektor PN powstaje w wyniku kontaktu materiału półprzewodnikowego typu P z 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, natomiast poziom Fermiego w półprzewodniku typu N znajduje się blisko krawędzi pasma przewodnictwa. Jednocześnie poziom Fermiego materiału typu N na krawędzi pasma przewodnictwa przesuwa się w sposób ciągły w dół, aż poziom Fermiego obu materiałów znajdzie się w tym samym położeniu. Zmianie położenia pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego towarzyszy także zakrzywienie pasma. Złącze PN jest 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. Kiedy te dwa materiały się stykają, ze względu na różnicę w stężeniu nośnika, 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 pozostawiony przez dyfuzję elektronów i dziur utworzy wbudowane pole elektryczne, a wbudowane pole elektryczne będzie wyznaczać trend dryfu nośnego, a kierunek dryfu jest dokładnie przeciwny do kierunku dyfuzji, co oznacza, że powstawanie wbudowanego pola elektrycznego zapobiega dyfuzji nośników, a wewnątrz złącza PN występuje zarówno dyfuzja, jak i dryf, dopóki oba rodzaje ruchu nie zostaną zrównoważone, tak że statyczny przepływ nośników będzie wynosić zero. Wewnętrzna równowaga dynamiczna.
Kiedy złącze PN zostanie poddane działaniu promieniowania świetlnego, energia fotonu przekazywana jest do nośnika i generowany jest fotogenerowany nośnik, czyli fotogenerowana para elektron-dziura. Pod wpływem pola elektrycznego elektron i dziura dryfują odpowiednio do obszaru N i obszaru P, a dryf kierunkowy fotogenerowanego nośnika generuje fotoprąd. Jest to podstawowa zasada działania fotodetektora złącza PN.
(3)Fotodetektor PIN
Fotodioda pinowa jest materiałem typu P i materiałem typu N pomiędzy warstwą I, warstwa I materiału jest na ogół materiałem wewnętrznym lub o niskim domieszkowaniu. Jego mechanizm działania jest podobny do złącza PN, gdy złącze PIN zostanie wystawione na działanie promieniowania świetlnego, foton przekazuje energię elektronowi, generując fotogenerowane nośniki ładunku, a wewnętrzne pole elektryczne lub zewnętrzne pole elektryczne oddzieli fotogenerowaną dziurę elektronową pary w warstwie zubożonej, a dryfowane nośniki ładunku utworzą prąd w obwodzie zewnętrznym. Rolą warstwy I jest zwiększenie szerokości warstwy zubożonej, a warstwa I całkowicie stanie się warstwą zubożoną pod dużym napięciem polaryzacji, a wygenerowane pary elektron-dziura zostaną szybko rozdzielone, więc prędkość odpowiedzi Fotodetektor złącza PIN jest generalnie szybszy niż detektor złącza PN. Nośniki znajdujące się poza warstwą I są również wychwytywane przez warstwę zubożoną w wyniku ruchu dyfuzyjnego, tworząc prąd dyfuzyjny. Grubość warstwy I jest na ogół bardzo cienka, 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 duże, a po dodaniu dużego polaryzacji wstecznej wewnątrz APD nastąpi jonizacja kolizyjna i zwielokrotnienie lawiny, a wydajność detektora zwiększy się fotoprądem. Kiedy APD znajduje się w trybie odwrotnego polaryzacji, pole elektryczne w warstwie zubożonej będzie bardzo silne, a fotogenerowane nośniki generowane przez światło zostaną szybko oddzielone i szybko dryfują pod wpływem pola elektrycznego. Istnieje prawdopodobieństwo, że podczas tego procesu elektrony wpadną na siatkę, powodując jonizację elektronów w sieci. Proces ten się powtarza, a zjonizowane jony w siatce również zderzają się z siatką, powodując wzrost liczby nośników ładunku w APD, co skutkuje dużym prądem. To właśnie dzięki temu unikalnemu mechanizmowi fizycznemu znajdującemu się w APD detektory oparte na APD charakteryzują się zazwyczaj dużą szybkością reakcji, dużym wzmocnieniem wartości prądu i wysoką czułością. W porównaniu ze złączem PN i złączem PIN, APD charakteryzuje się większą szybkością reakcji, która jest najszybszą szybkością reakcji wśród obecnych lamp światłoczułych.
(5) Fotodetektor złącza Schottky'ego
Podstawową budową fotodetektora złącza Schottky'ego jest dioda Schottky'ego, której właściwości elektryczne są podobne do opisanych powyżej złącze PN i posiada przewodnictwo jednokierunkowe z przewodzeniem dodatnim i odcięciem zwrotnym. Kiedy metal o dużej pracy wyjściowej tworzy kontakt z półprzewodnikiem o niskiej pracy wyjściowej, powstaje bariera Schottky'ego, a powstałe złącze jest złączem Schottky'ego. Główny mechanizm jest nieco podobny do złącza PN, na przykładzie półprzewodników typu N, gdy dwa materiały tworzą kontakt, ze względu na różne stężenia elektronów w obu materiałach, elektrony w półprzewodniku będą dyfundować na stronę 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, a elektrony będą dryfować pod działaniem wewnętrzne pole elektryczne oraz ruch dyfuzyjny i dryfowy nośnika będą prowadzone jednocześnie, po pewnym czasie do osiągnięcia równowagi dynamicznej i ostatecznie utworzą złącze Schottky'ego. W warunkach oświetleniowych obszar bariery bezpośrednio pochłania światło i generuje pary elektron-dziura, podczas gdy fotogenerowane nośniki wewnątrz złącza PN muszą przejść przez obszar dyfuzji, aby dotrzeć do obszaru złącza. W porównaniu ze złączem PN fotodetektor oparty na złączu Schottky’ego charakteryzuje się większą szybkością reakcji, która może osiągnąć nawet poziom ns.
Czas publikacji: 13 sierpnia 2024 r