Tip dedispozitiv fotodetectorstructura
Fotodetectoreste un dispozitiv care convertește semnalul optic în semnal electric, structura și varietatea sa putând fi împărțite în principal în următoarele categorii:
(1) Fotodetector fotoconductor
Când dispozitivele fotoconductoare sunt expuse la lumină, purtătorul fotogenerat le crește conductivitatea și le scade rezistența. Purtătorii excitați la temperatura camerei se mișcă direcțional sub acțiunea unui câmp electric, generând astfel un curent. În condiții de lumină, electronii sunt excitați și are loc o tranziție. În același timp, aceștia se deplasează sub acțiunea unui câmp electric pentru a forma un fotocurent. Purtătorii fotogenerați rezultați cresc conductivitatea dispozitivului și astfel reduc rezistența. Fotodetectoarele fotoconductoare prezintă de obicei un câștig ridicat și o performanță de răspuns excelentă, dar nu pot răspunde la semnale optice de înaltă frecvență, astfel încât viteza de răspuns este lentă, ceea ce limitează aplicarea dispozitivelor fotoconductoare în anumite aspecte.
(2)Fotodetector PN
Fotodetectorul PN se formează prin contactul dintre materialul semiconductor de tip P și materialul semiconductor de tip N. Înainte de formarea contactului, cele două materiale se află într-o stare separată. Nivelul Fermi în semiconductorul de tip P este aproape de marginea benzii de valență, în timp ce nivelul Fermi în semiconductorul de tip N este aproape de marginea benzii de conducție. În același timp, nivelul Fermi al materialului de tip N de la marginea benzii de conducție este deplasat continuu în jos până când nivelul Fermi al celor două materiale ajunge în aceeași poziție. Schimbarea poziției benzii de conducție și a benzii de valență este, de asemenea, însoțită de îndoirea benzii. Joncțiunea PN este în echilibru și are un nivel Fermi uniform. Din punctul de vedere al analizei purtătorilor de sarcină, majoritatea purtătorilor de sarcină din materialele de tip P sunt goluri, în timp ce majoritatea purtătorilor de sarcină din materialele de tip N sunt electroni. Când cele două materiale sunt în contact, din cauza diferenței de concentrație a purtătorilor, electronii din materialele de tip N vor difuza către materialele de tip P, în timp ce electronii din materialele de tip N vor difuza în direcția opusă golurilor. Zona necompensată lăsată de difuzia electronilor și a golurilor va forma un câmp electric încorporat, iar câmpul electric încorporat va avea o tendință de derivă a purtătorilor de curent, iar direcția de derivă este exact opusă direcției de difuzie, ceea ce înseamnă că formarea câmpului electric încorporat previne difuzia purtătorilor de curent, existând atât difuzie, cât și derivă în interiorul joncțiunii PN până când cele două tipuri de mișcare sunt echilibrate, astfel încât fluxul static al purtătorilor de curent este zero. Echilibru dinamic intern.
Când joncțiunea PN este expusă la radiații luminoase, energia fotonului este transferată către purtător, și se generează purtătorul fotogenerat, adică perechea electron-gaură fotogenerată. Sub acțiunea câmpului electric, electronul și gaura se deplasează către regiunea N și respectiv regiunea P, iar deviația direcțională a purtătorului fotogenerat generează fotocurent. Acesta este principiul de bază al fotodetectorului de joncțiune PN.
(3)Fotodetector PIN
Fotodioda PIN este un material de tip P și un material de tip N între stratul I. Stratul I al materialului este în general un material intrinsec sau cu dopaj scăzut. Mecanismul său de funcționare este similar cu cel al joncțiunii PN: atunci când joncțiunea PIN este expusă la radiații luminoase, fotonul transferă energie electronului, generând purtători de sarcină fotogenerați, iar câmpul electric intern sau câmpul electric extern va separa perechile electron-gaură fotogenerate în stratul de epuizare, iar purtătorii de sarcină derivați vor forma un curent în circuitul extern. Rolul jucat de stratul I este de a extinde lățimea stratului de epuizare, iar stratul I va deveni complet stratul de epuizare sub o tensiune de polarizare mare, iar perechile electron-gaură generate vor fi separate rapid, astfel încât viteza de răspuns a fotodetectorului joncțiunii PIN este în general mai rapidă decât cea a detectorului joncțiunii PN. Purtătorii de sarcină din afara stratului I sunt, de asemenea, colectați de stratul de epuizare prin mișcare de difuzie, formând un curent de difuzie. Grosimea stratului I este în general foarte subțire, iar scopul său este de a îmbunătăți viteza de răspuns a detectorului.
(4)Fotodetector APDfotodiodă de avalanșă
Mecanismul defotodiodă de avalanșăeste similar cu cel al joncțiunii PN. Fotodetectorul APD utilizează o joncțiune PN puternic dopată, tensiunea de funcționare bazată pe detectarea APD este mare, iar atunci când se adaugă o polarizare inversă mare, în interiorul APD se vor produce ionizări prin coliziune și multiplicare prin avalanșă, iar performanța detectorului este un fotocurent crescut. Când APD este în modul de polarizare inversă, câmpul electric din stratul de epuizare va fi foarte puternic, iar purtătorii de sarcină fotogenerați de lumină se vor separa rapid și vor deriva rapid sub acțiunea câmpului electric. Există probabilitatea ca electronii să se ciocnească de rețea în timpul acestui proces, provocând ionizarea electronilor din rețea. Acest proces se repetă, iar ionii ionizați din rețea se ciocnesc și ei de rețea, determinând creșterea numărului de purtători de sarcină din APD, rezultând un curent mare. Acest mecanism fizic unic din interiorul APD face ca detectorii bazați pe APD să aibă în general caracteristici precum viteza de răspuns rapidă, câștig mare în valoarea curentului și sensibilitate ridicată. Comparativ cu joncțiunea PN și joncțiunea PIN, APD are o viteză de răspuns mai rapidă, care este cea mai rapidă viteză de răspuns dintre tuburile fotosensibile actuale.
(5) Fotodetector cu joncțiune Schottky
Structura de bază a fotodetectorului cu joncțiune Schottky este o diodă Schottky, ale cărei caracteristici electrice sunt similare cu cele ale joncțiunii PN descrise mai sus, având conductivitate unidirecțională cu conducție pozitivă și întrerupere inversă. Atunci când un metal cu o funcție de lucru electric ridicată și un semiconductor cu o funcție de lucru electric scăzută formează contact, se formează o barieră Schottky, iar joncțiunea rezultată este o joncțiune Schottky. Mecanismul principal este oarecum similar cu cel al joncțiunii PN, luând ca exemplu semiconductorii de tip N: atunci când două materiale formează contact, datorită concentrațiilor diferite de electroni ale celor două materiale, electronii din semiconductor vor difuza spre partea metalică. Electronii difuzați se acumulează continuu la un capăt al metalului, distrugând astfel neutralitatea electrică originală a metalului, formând un câmp electric încorporat de la semiconductor la metalul de pe suprafața de contact, iar electronii vor deriva sub acțiunea câmpului electric intern, iar mișcarea de difuzie și derivă a purtătorului se va desfășura simultan, după o perioadă de timp pentru a atinge echilibrul dinamic și, în final, pentru a forma o joncțiune Schottky. În condiții de lumină, regiunea barieră absoarbe direct lumina și generează perechi electron-gaură, în timp ce purtătorii de lumină fotogenerați din interiorul joncțiunii PN trebuie să treacă prin regiunea de difuzie pentru a ajunge la regiunea joncțiunii. Comparativ cu joncțiunea PN, fotodetectorul bazat pe joncțiunea Schottky are o viteză de răspuns mai rapidă, iar viteza de răspuns poate ajunge chiar și la nivelul ns.
Data publicării: 13 august 2024