Typ štruktúry fotodetektorového zariadenia

Typfotodetektorové zariadenieštruktúru
Fotodetektorje zariadenie, ktoré premieňa optický signál na elektrický signál, jeho štruktúru a rozmanitosť možno rozdeliť najmä do týchto kategórií: ‌
(1) Fotovodivý fotodetektor
Keď sú fotovodivé zariadenia vystavené svetlu, fotogenerovaný nosič zvyšuje ich vodivosť a znižuje ich odpor. Nosiče excitované pri izbovej teplote sa pohybujú smerovo pod pôsobením elektrického poľa, čím generujú prúd. V podmienkach svetla sú elektróny excitované a dochádza k prechodu. Zároveň sa pôsobením elektrického poľa unášajú a vytvárajú fotoprúd. Výsledné fotogenerované nosiče zvyšujú vodivosť zariadenia a tým znižujú odpor. Fotovodivé fotodetektory zvyčajne vykazujú vysoký zisk a veľkú odozvu vo výkone, ale nedokážu reagovať na vysokofrekvenčné optické signály, takže rýchlosť odozvy je nízka, čo v niektorých aspektoch obmedzuje použitie fotovodivých zariadení.

(2)PN fotodetektor
PN fotodetektor je tvorený kontaktom medzi polovodičovým materiálom typu P a polovodičovým materiálom typu N. Pred vytvorením kontaktu sú tieto dva materiály v samostatnom stave. Fermiho hladina v polovodiči typu P je blízko okraja valenčného pásma, zatiaľ čo hladina Fermiho v polovodiči typu N je blízko okraja vodivého pásma. Súčasne sa Fermiho hladina materiálu typu N na okraji vodivého pásma kontinuálne posúva nadol, kým Fermiho hladina oboch materiálov nie je v rovnakej polohe. Zmena polohy vodivého pásu a valenčného pásu je tiež sprevádzaná ohybom pásu. PN prechod je v rovnováhe a má rovnomernú Fermiho hladinu. Z hľadiska analýzy nosičov náboja sú väčšina nosičov náboja v materiáloch typu P diery, zatiaľ čo väčšina nosičov náboja v materiáloch typu N sú elektróny. Keď sú tieto dva materiály v kontakte, v dôsledku rozdielu v koncentrácii nosiča budú elektróny v materiáloch typu N difundovať do typu P, zatiaľ čo elektróny v materiáloch typu N budú difundovať v opačnom smere k otvorom. Nekompenzovaná oblasť ponechaná difúziou elektrónov a dier vytvorí vstavané elektrické pole a vstavané elektrické pole bude mať tendenciu driftu nosiča a smer driftu je presne opačný ako smer difúzie, čo znamená, že tvorba zabudovaného elektrického poľa bráni difúzii nosičov a vo vnútri PN prechodu dochádza k difúzii aj driftu, kým sa oba druhy pohybu nevyrovnajú, takže statický tok nosiča je nulový. Vnútorná dynamická rovnováha.
Keď je PN prechod vystavený svetelnému žiareniu, energia fotónu sa prenesie na nosič a vytvorí sa fotogenerovaný nosič, teda fotogenerovaný pár elektrón-diera. Pod pôsobením elektrického poľa sa elektrón a diera posunú do oblasti N a oblasti P a smerový posun fotogenerovaného nosiča generuje fotoprúd. Toto je základný princíp fotodetektora prechodu PN.

(3)PIN fotodetektor
Kolíková fotodióda je materiál typu P a materiál typu N medzi vrstvou I, vrstva I materiálu je vo všeobecnosti vnútorným materiálom alebo materiálom s nízkym dopingom. Jeho pracovný mechanizmus je podobný PN prechodu, keď je PIN prechod vystavený svetelnému žiareniu, fotón odovzdá energiu elektrónu, čím sa generujú fotogenerované nosiče náboja, a vnútorné elektrické pole alebo vonkajšie elektrické pole oddelí fotogenerovanú elektrónovú dieru. párov vo vrstve vyčerpania a driftované nosiče náboja vytvoria prúd vo vonkajšom obvode. Úlohou vrstvy I je rozširovať šírku vrstvy vyčerpania a vrstva I sa úplne stane vrstvou vyčerpania pod veľkým predpätím a generované páry elektrón-diera sa rýchlo oddelia, takže rýchlosť odozvy Fotodetektor PIN prechodu je vo všeobecnosti rýchlejší ako detektor PN prechodu. Nosiče mimo vrstvy I sú tiež zhromažďované vrstvou vyčerpania prostredníctvom difúzneho pohybu, čím sa vytvára difúzny prúd. Hrúbka I vrstvy je vo všeobecnosti veľmi tenká a jej účelom je zlepšiť rýchlosť odozvy detektora.

(4)APD fotodetektorlavínová fotodióda
Mechanizmuslavínová fotodiódaje podobná ako pri PN križovatke. Fotodetektor APD využíva silne dopovaný PN prechod, prevádzkové napätie založené na detekcii APD je veľké a keď sa pridá veľká spätná odchýlka, vo vnútri APD dôjde k ionizácii kolízie a lavínovému znásobeniu a výkon detektora sa zvýši fotoprúd. Keď je APD v režime spätného predpätia, elektrické pole vo vrstve vyčerpania bude veľmi silné a fotogenerované nosiče generované svetlom sa rýchlo oddelia a rýchlo sa budú pohybovať pôsobením elektrického poľa. Existuje pravdepodobnosť, že elektróny počas tohto procesu narážajú do mriežky, čo spôsobí ionizáciu elektrónov v mriežke. Tento proces sa opakuje a ionizované ióny v mriežke sa tiež zrážajú s mriežkou, čo spôsobuje zvýšenie počtu nosičov náboja v APD, čo vedie k veľkému prúdu. Práve tento jedinečný fyzikálny mechanizmus vo vnútri APD je, že detektory založené na APD majú vo všeobecnosti charakteristiky rýchlej odozvy, veľkého zisku prúdovej hodnoty a vysokej citlivosti. V porovnaní s PN prechodom a PIN prechodom má APD vyššiu rýchlosť odozvy, čo je najrýchlejšia rýchlosť odozvy spomedzi súčasných fotosenzitívnych trubíc.

(5) Fotodetektor Schottkyho prechodu
Základnou štruktúrou fotodetektora Schottkyho prechodu je Schottkyho dióda, ktorej elektrické charakteristiky sú podobné ako u vyššie opísaného PN prechodu a má jednosmernú vodivosť s kladným vedením a spätným rušením. Keď kov s vysokou pracovnou funkciou a polovodič s nízkou pracovnou funkciou vytvoria kontakt, vytvorí sa Schottkyho bariéra a výsledný spoj je Schottkyho spoj. Hlavný mechanizmus je trochu podobný PN prechodu, pričom ako príklad berieme polovodiče typu N, keď sa dva materiály dostanú do kontaktu, v dôsledku rôznych koncentrácií elektrónov v týchto dvoch materiáloch budú elektróny v polovodi difundovať na kovovú stranu. Difúzne elektróny sa nepretržite hromadia na jednom konci kovu, čím sa zničí pôvodná elektrická neutralita kovu, vytvorí sa zabudované elektrické pole z polovodiča do kovu na kontaktnom povrchu a elektróny sa budú pôsobením vnútorné elektrické pole a difúzny a driftový pohyb nosiča sa uskutočnia súčasne, po určitom čase, aby sa dosiahla dynamická rovnováha a nakoniec sa vytvorila Schottkyho križovatka. Za svetelných podmienok oblasť bariéry priamo absorbuje svetlo a generuje páry elektrón-diera, zatiaľ čo fotogenerované nosiče vo vnútri PN prechodu musia prejsť cez oblasť difúzie, aby dosiahli oblasť spojenia. V porovnaní s PN prechodom má fotodetektor založený na Schottkyho prechode vyššiu rýchlosť odozvy a rýchlosť odozvy môže dokonca dosiahnuť úroveň ns.