Typefotodetektorenhetstruktur
Fotodetektorer en enhet som konverterer optiske signaler til elektriske signaler, dens struktur og variasjon, kan hovedsakelig deles inn i følgende kategorier:
(1) Fotoledende fotodetektor
Når fotoledende enheter utsettes for lys, øker den fotogenererte bæreren sin konduktivitet og reduserer motstanden. Bærerne som eksiteres ved romtemperatur beveger seg i en retningsbestemt måte under påvirkning av et elektrisk felt, og genererer dermed en strøm. Under lysforhold eksiteres elektroner, og det skjer en overgang. Samtidig driver de under påvirkning av et elektrisk felt for å danne en fotostrøm. De resulterende fotogenererte bærerne øker enhetens konduktivitet og reduserer dermed motstanden. Fotoledende fotodetektorer viser vanligvis høy forsterkning og god respons i ytelse, men de kan ikke reagere på høyfrekvente optiske signaler, så responshastigheten er lav, noe som begrenser bruken av fotoledende enheter på noen måter.
(2)PN-fotodetektor
PN-fotodetektoren dannes ved kontakt mellom P-type halvledermateriale og N-type halvledermateriale. Før kontakten dannes, er de to materialene i en separat tilstand. Fermi-nivået i P-type halvleder er nær kanten av valensbåndet, mens Fermi-nivået i N-type halvleder er nær kanten av ledningsbåndet. Samtidig forskyves Fermi-nivået til N-type materialet ved kanten av ledningsbåndet kontinuerlig nedover til Fermi-nivået til de to materialene er i samme posisjon. Endringen i posisjonen til ledningsbåndet og valensbåndet ledsages også av bøyning av båndet. PN-overgangen er i likevekt og har et jevnt Fermi-nivå. Fra et ladningsbæreranalyseperspektiv er de fleste ladningsbærerne i P-type materialer hull, mens de fleste ladningsbærerne i N-type materialer er elektroner. Når de to materialene er i kontakt, vil elektronene i N-type materialer på grunn av forskjellen i bærerkonsentrasjon diffundere til P-type, mens elektronene i N-type materialer vil diffundere i motsatt retning av hullene. Det ukompenserte området som etterlates av diffusjonen av elektroner og hull vil danne et innebygd elektrisk felt, og det innebygde elektriske feltet vil utvikle en tendens til bærebølgedrift, og driftretningen er rett motsatt av diffusjonsretningen, noe som betyr at dannelsen av det innebygde elektriske feltet forhindrer diffusjon av bærere, og det er både diffusjon og drift inne i PN-overgangen inntil de to typene bevegelse er balansert, slik at den statiske bærebølgestrømmen er null. Intern dynamisk balanse.
Når PN-overgangen utsettes for lysstråling, overføres fotonets energi til bæreren, og den fotogenererte bæreren, det vil si det fotogenererte elektron-hull-paret, genereres. Under påvirkning av det elektriske feltet driver elektronet og hullet til henholdsvis N-regionen og P-regionen, og den retningsbestemte driften til den fotogenererte bæreren genererer fotostrøm. Dette er det grunnleggende prinsippet bak PN-overgangsfotodetektoren.
(3)PIN-fotodetektor
PIN-fotodiode er et P-type materiale og N-type materiale mellom I-laget. I-laget i materialet er generelt et intrinsisk eller lavdopingmateriale. Virkemåten ligner på PN-overgangen. Når PIN-overgangen utsettes for lysstråling, overfører fotonet energi til elektronet, og genererer fotogenererte ladningsbærere. Det indre elektriske feltet eller det ytre elektriske feltet vil separere de fotogenererte elektron-hull-parene i uttømmingslaget. De avdrevne ladningsbærerne vil danne en strøm i den eksterne kretsen. Lag I sin rolle er å utvide bredden på uttømmingslaget. Lag I vil bli fullstendig til et uttømmingslag under en stor forspenning. De genererte elektron-hull-parene vil raskt separeres. Derfor er responshastigheten til PIN-overgangsfotodetektoren generelt raskere enn PN-overgangsdetektoren. Bærere utenfor I-laget samles også opp av uttømmingslaget gjennom diffusjonsbevegelse, og danner en diffusjonsstrøm. Tykkelsen på I-laget er generelt veldig tynn, og formålet er å forbedre detektorens responshastighet.
(4)APD-fotodetektorskredfotodiode
Mekanismen tilskredfotodiodeligner på PN-overgangen. APD-fotodetektorer bruker sterkt dopet PN-overgang, driftsspenningen basert på APD-deteksjon er stor, og når en stor reversforspenning legges til, vil kollisjonsionisering og skredmultiplikasjon oppstå inne i APD, og detektorens ytelse økes med hensyn til fotostrømmen. Når APD er i reversforspenningsmodus, vil det elektriske feltet i uttømmingslaget være veldig sterkt, og de fotogenererte ladningsbærerne generert av lys vil raskt separeres og raskt drive under påvirkning av det elektriske feltet. Det er en sannsynlighet for at elektroner vil støte inn i gitteret under denne prosessen, noe som fører til at elektronene i gitteret ioniseres. Denne prosessen gjentas, og de ioniserte ionene i gitteret kolliderer også med gitteret, noe som fører til at antallet ladningsbærere i APD øker, noe som resulterer i en stor strøm. Det er denne unike fysiske mekanismen inne i APD som gjør at APD-baserte detektorer generelt har egenskapene rask responshastighet, stor strømverdiforsterkning og høy følsomhet. Sammenlignet med PN-overgang og PIN-overgang har APD en raskere responshastighet, som er den raskeste responshastigheten blant de nåværende lysfølsomme rørene.
(5) Schottky-overgangsfotodetektor
Den grunnleggende strukturen til Schottky-overgangsfotodetektoren er en Schottky-diode, hvis elektriske egenskaper ligner på PN-overgangen beskrevet ovenfor, og den har ensrettet konduktivitet med positiv konduksjon og revers cut-off. Når et metall med høy arbeidsfunksjon og en halvleder med lav arbeidsfunksjon danner kontakt, dannes en Schottky-barriere, og den resulterende overgangen er en Schottky-overgang. Hovedmekanismen er noe lik PN-overgangen, med N-type halvledere som eksempel. Når to materialer danner kontakt, vil elektronene i halvlederen diffundere til metallsiden på grunn av de forskjellige elektronkonsentrasjonene i de to materialene. De diffuse elektronene akkumuleres kontinuerlig i den ene enden av metallet, og ødelegger dermed metallets opprinnelige elektriske nøytralitet. Dette danner et innebygd elektrisk felt fra halvlederen til metallet på kontaktflaten. Elektronene vil drive under påvirkning av det indre elektriske feltet. Bærerens diffusjons- og driftbevegelse vil utføres samtidig, etter en tidsperiode for å nå dynamisk likevekt, og til slutt danne en Schottky-overgang. Under lysforhold absorberer barriereområdet lys direkte og genererer elektron-hull-par, mens de fotogenererte bærerne inne i PN-overgangen må passere gjennom diffusjonsområdet for å nå overgangsområdet. Sammenlignet med PN-overgangen har fotodetektoren basert på Schottky-overgangen en raskere responshastighet, og responshastigheten kan til og med nå ns-nivå.
Publisert: 13. august 2024