Типфотодетекторний пристрійструктура
Фотодетектор– це пристрій, який перетворює оптичний сигнал на електричний сигнал, його структуру та різноманітність, можна в основному розділити на такі категорії:
(1) Фотопровідний фотодетектор
Коли фотопровідні пристрої піддаються впливу світла, фотогенеровані носії збільшують свою провідність і зменшують свій опір. Носії, збуджені при кімнатній температурі, рухаються спрямовано під дією електричного поля, генеруючи струм. Під дією світла електрони збуджуються і відбувається перехід. Одночасно вони дрейфують під дією електричного поля, утворюючи фотострум. Утворені фотогенеровані носії збільшують провідність пристрою і таким чином зменшують опір. Фотопровідні фотодетектори зазвичай демонструють високий коефіцієнт підсилення та чудову чутливість, але вони не можуть реагувати на високочастотні оптичні сигнали, тому швидкість відгуку є низькою, що обмежує застосування фотопровідних пристроїв у деяких аспектах.
(2)PN-фотодетектор
PN-фотодетектор утворюється внаслідок контакту між напівпровідниками P-типу та N-типу. До утворення контакту два матеріали знаходяться в окремому стані. Рівень Фермі в напівпровіднику P-типу знаходиться близько до краю валентної зони, тоді як рівень Фермі в напівпровіднику N-типу знаходиться близько до краю зони провідності. У той же час рівень Фермі матеріалу N-типу на краю зони провідності постійно зміщується вниз, доки рівень Фермі двох матеріалів не опиниться в одному положенні. Зміна положення зони провідності та валентної зони також супроводжується вигином зони. PN-перехід знаходиться в рівновазі та має однорідний рівень Фермі. З точки зору аналізу носіїв заряду, більшість носіїв заряду в матеріалах P-типу є дірками, тоді як більшість носіїв заряду в матеріалах N-типу є електронами. Коли два матеріали контактують, через різницю в концентрації носіїв, електрони в матеріалах N-типу дифундують до P-типу, тоді як електрони в матеріалах N-типу дифундують у протилежному напрямку до дірок. Нескомпенсована область, що залишилася внаслідок дифузії електронів та дірок, утворюватиме вбудоване електричне поле, яке спричинятиме дрейф носіїв заряду, причому напрямок дрейфу буде прямо протилежним напрямку дифузії. Це означає, що утворення вбудованого електричного поля запобігає дифузії носіїв заряду, і всередині PN-переходу відбуватимуться як дифузія, так і дрейф, доки ці два види руху не збалансуються, так що статичний потік носіїв заряду дорівнюватиме нулю. Внутрішній динамічний баланс.
Коли PN-перехід піддається впливу світлового випромінювання, енергія фотона передається носію, і генерується фотогенерований носій, тобто фотогенерована електрон-діркова пара. Під дією електричного поля електрон і дірка дрейфують відповідно до N-області та P-області, а спрямований дрейф фотогенерованого носія генерує фотострум. Це основний принцип фотодетектора на PN-переході.
(3)PIN-фотодетектор
Pin-фотодіод являє собою матеріал P-типу та N-типу, розташований між шаром I. Шар I зазвичай є власним або низьколегованим матеріалом. Його механізм роботи подібний до PN-переходу: коли PIN-перехід піддається впливу світлового випромінювання, фотон передає енергію електрону, генеруючи фотогенеровані носії заряду. Внутрішнє або зовнішнє електричне поле розділяє фотогенеровані електрон-діркові пари в шарі збіднення, а дрейфовані носії заряду формують струм у зовнішньому колі. Роль шару I полягає в розширенні ширини шару збіднення. Під дією високої напруги зміщення шар I повністю стає шаром збіднення, а згенеровані електрон-діркові пари швидко розділяються, тому швидкість відгуку фотодетектора з PIN-переходом зазвичай вища, ніж у детектора з PN-переходом. Носії поза шаром I також збираються шаром збіднення шляхом дифузійного руху, утворюючи дифузійний струм. Товщина шару I зазвичай дуже тонка, і його призначення полягає в покращенні швидкості відгуку детектора.
(4)Фотодетектор APDлавинний фотодіод
Механізмлавинний фотодіодподібний до PN-переходу. Фотодетектор на основі ламінованого фотодіода (ЛФД) використовує сильно легований PN-перехід, робоча напруга, що базується на детектуванні ЛФД, є великою, і коли додається велике зворотне зміщення, всередині ЛФД відбуватиметься іонізація зіткненнями та множення лавин, що збільшує продуктивність детектора за рахунок фотоструму. Коли ЛФД знаходиться в режимі зворотного зміщення, електричне поле в шарі збідненості буде дуже сильним, і фотогенеровані носії, що генеруються світлом, швидко розділятимуться та швидко дрейфуватимуть під дією електричного поля. Існує ймовірність того, що електрони зіткнуться з ґраткою під час цього процесу, що призведе до іонізації електронів у ґратці. Цей процес повторюється, і іонізовані іони в ґратці також зіткнуться з ґраткою, що призведе до збільшення кількості носіїв заряду в ЛФД, що призведе до великого струму. Саме цей унікальний фізичний механізм всередині ЛФД дозволяє детекторам на основі ЛФД, як правило, характеризуватися швидкою швидкістю відгуку, великим коефіцієнтом посилення струму та високою чутливістю. Порівняно з PN- та PIN-переходами, ЛФД має швидшу швидкість відгуку, яка є найшвидшою швидкістю відгуку серед сучасних фоточутливих трубок.
(5) Фотодетектор на контакті Шотткі
Основна структура фотодетектора на основі переходу Шотткі являє собою діод Шотткі, електричні характеристики якого подібні до характеристик PN-переходу, описаного вище, і він має односпрямовану провідність з позитивною провідністю та зворотним відсіканням. Коли метал з високою роботою виходу та напівпровідник з низькою роботою виходу утворюють контакт, утворюється бар'єр Шотткі, і результуючий перехід є переходом Шотткі. Основний механізм дещо схожий на PN-перехід, беручи за приклад напівпровідники N-типу. Коли два матеріали утворюють контакт, через різну концентрацію електронів у двох матеріалах електрони в напівпровіднику дифундують до боку металу. Дифузовані електрони постійно накопичуються на одному кінці металу, руйнуючи таким чином початкову електричну нейтральність металу, утворюючи вбудоване електричне поле від напівпровідника до металу на поверхні контакту, і електрони дрейфують під дією внутрішнього електричного поля, а дифузійний та дрейфовий рух носіїв заряду здійснюватимуться одночасно, через певний проміжок часу досягаючи динамічної рівноваги, і нарешті утворюють перехід Шотткі. За умов освітлення бар'єрна область безпосередньо поглинає світло та генерує електрон-діркові пари, тоді як фотогенеровані носії всередині PN-переходу повинні пройти через область дифузії, щоб досягти області переходу. Порівняно з PN-переходом, фотодетектор на основі переходу Шотткі має швидшу швидкість відгуку, яка може навіть досягати рівня нс.
Час публікації: 13 серпня 2024 р.