Typ struktury urządzenia fotodetektora

Rodzajurządzenie fotodetektorowestruktura
Fotodetektorjest urządzeniem, które zamienia sygnał optyczny na sygnał elektryczny, jego strukturę i różnorodność można podzielić głównie na następujące kategorie:
(1) Fotodetektor fotoprzewodzący
Gdy urządzenia fotoprzewodzące są wystawione na działanie światła, nośnik fotogenerowany zwiększa swoją przewodność i zmniejsza rezystancję. Nośniki wzbudzone w temperaturze pokojowej poruszają się kierunkowo pod wpływem pola elektrycznego, generując w ten sposób prąd. Pod wpływem światła elektrony są wzbudzane i następuje przejście. Jednocześnie dryfują pod wpływem pola elektrycznego, tworząc fotoprąd. Powstałe nośniki fotogenerowane zwiększają przewodność urządzenia, a tym samym zmniejszają rezystancję. Fotoprzewodzące fotodetektory zwykle wykazują wysoki zysk i dużą reakcję w działaniu, ale nie mogą reagować na sygnały optyczne o wysokiej częstotliwości, więc prędkość 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 i 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 tej samej pozycji. Zmianie położenia pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego towarzyszy również wygięcie 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 dwa materiały są w kontakcie, ze względu na różnicę w stężeniu 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 pozostawiony przez dyfuzję elektronów i dziur utworzy wbudowane pole elektryczne, a wbudowane pole elektryczne będzie miało tendencję do dryfu nośników, a kierunek dryfu będzie dokładnie przeciwny do kierunku dyfuzji, co oznacza, że ​​formowanie wbudowanego pola elektrycznego zapobiega dyfuzji nośników, a wewnątrz złącza PN występuje zarówno dyfuzja, jak i dryf, dopóki dwa rodzaje ruchu nie zostaną zrównoważone, tak że statyczny przepływ nośników będzie zerowy. Wewnętrzna równowaga dynamiczna.
Gdy złącze PN jest wystawione na promieniowanie świetlne, energia fotonu jest przenoszona do nośnika, a nośnik fotogenerowany, czyli para elektron-dziura fotogenerowana, jest generowana. Pod wpływem pola elektrycznego elektron i dziura dryfują odpowiednio do obszaru N i obszaru P, a kierunkowy dryf nośnika fotogenerowanego 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 nisko domieszkowym. Jego mechanizm działania jest podobny do złącza PN, gdy złącze PIN jest wystawione na promieniowanie świetlne, foton przekazuje energię elektronowi, generując nośniki ładunku generowane fotochemicznie, a wewnętrzne pole elektryczne lub zewnętrzne pole elektryczne rozdzieli wygenerowane fotochemicznie pary elektron-dziura w warstwie zubożonej, a dryfujące nośniki ładunku utworzą prąd w obwodzie zewnętrznym. Rola odgrywana przez warstwę I polega na rozszerzeniu 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 reakcji fotodetektora złącza PIN jest na ogół szybsza niż detektora złącza PN. Nośniki poza warstwą I są również zbierane przez warstwę zubożoną poprzez ruch dyfuzyjny, 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 mocno domieszkowane złącze PN, napięcie robocze oparte na wykrywaniu APD jest duże, a gdy dodane zostanie duże odwrotne napięcie polaryzacji, jonizacja kolizyjna i mnożenie lawinowe wystąpią wewnątrz APD, a wydajność detektora wzrasta fotoprądowo. Gdy APD znajduje się w trybie odwrotnego napięcia polaryzacji, pole elektryczne w warstwie zubożonej będzie bardzo silne, a nośniki fotogenerowane generowane przez światło zostaną szybko rozdzielone i szybko dryfują pod wpływem pola elektrycznego. Istnieje prawdopodobieństwo, że elektrony uderzą w sieć podczas tego procesu, powodując jonizację elektronów w sieci. Ten proces jest powtarzany, a zjonizowane jony w sieci również zderzają się z siecią, powodując wzrost liczby nośników ładunku w APD, co skutkuje dużym prądem. To właśnie ten unikalny mechanizm fizyczny wewnątrz APD sprawia, że ​​detektory oparte na APD mają zazwyczaj cechy szybkiej szybkości reakcji, dużego wzmocnienia wartości prądu i wysokiej czułości. 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 złącza Schottky'ego jest dioda Schottky'ego, której charakterystyki elektryczne są podobne do charakterystyk złącza PN opisanego powyżej, a także ma jednokierunkową przewodność z dodatnim przewodnictwem i odwrotnym odcięciem. Gdy metal o wysokiej funkcji pracy i półprzewodnik o niskiej funkcji pracy tworzą kontakt, powstaje bariera Schottky'ego, a powstałe złącze jest złączem Schottky'ego. Główny mechanizm jest nieco podobny do złącza PN, biorąc półprzewodniki typu N jako przykład, 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 nieprzerwanie 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 wpływem wewnętrznego pola elektrycznego, a ruch dyfuzji i dryfu nośnika będzie wykonywany jednocześnie, po pewnym czasie, aby osiągnąć równowagę dynamiczną, i ostatecznie utworzyć złącze Schottky'ego. W warunkach oświetlenia obszar bariery bezpośrednio pochłania 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 prędkość reakcji, a prędkość reakcji może nawet osiągnąć poziom ns.