Typfotodetektorové zariadenieštruktúra
Fotodetektorje zariadenie, ktoré premieňa optický signál na elektrický signál, ktorého štruktúra a rozmanitosť sa dajú rozdeliť do nasledujúcich kategórií:
(1) Fotovodivý fotodetektor
Keď sú fotovodivé zariadenia vystavené svetlu, fotogenerovaný nosič zvyšuje svoju vodivosť a znižuje svoj odpor. Nosiče náboja excitované pri izbovej teplote sa pod vplyvom elektrického poľa pohybujú smerovo, čím generujú prúd. Pod vplyvom svetla sú elektróny excitované a dochádza k prechodu. Zároveň sa pod vplyvom elektrického poľa pohybujú a vytvárajú fotoprúd. Výsledné fotogenerované nosiče zvyšujú vodivosť zariadenia, a tým znižujú odpor. Fotovodivé fotodetektory zvyčajne vykazujú vysoký zisk a vysokú citlivosť, ale nedokážu reagovať na vysokofrekvenčné optické signály, takže rýchlosť odozvy je pomalá, čo v niektorých aspektoch obmedzuje použitie fotovodivých zariadení.
(2)PN fotodetektor
PN fotodetektor vzniká kontaktom medzi polovodičovým materiálom typu P a polovodičovým materiálom typu N. Pred vytvorením kontaktu sú tieto dva materiály v oddelenom stave. Fermiho hladina v polovodiči typu P je blízko okraja valenčného pásma, zatiaľ čo Fermiho hladina v polovodiči typu N je blízko okraja vodivostného pásma. Zároveň sa Fermiho hladina materiálu typu N na okraji vodivostného pásma neustále posúva smerom nadol, až kým sa Fermiho hladina oboch materiálov nedostane do rovnakej polohy. Zmena polohy vodivostného a valenčného pásma je tiež sprevádzaná ohybom pásma. PN prechod je v rovnováhe a má jednotnú 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 nosičov elektróny v materiáloch typu N difundujú do typu P, zatiaľ čo elektróny v materiáloch typu N difundujú v opačnom smere ako diery. Nekompenzovaná oblasť, ktorá vznikne difúziou elektrónov a dier, vytvorí vstavané elektrické pole a toto vstavané elektrické pole bude mať tendenciu k driftu nosičov náboja, pričom smer driftu bude presne opačný ako smer difúzie. To znamená, že tvorba vstavaného elektrického poľa bráni difúzii nosičov náboja a vo vnútri PN prechodu dochádza k difúzii aj driftu, až kým sa tieto dva druhy pohybu nevyrovnajú, takže statický tok nosičov náboja je nulový. Vnútorná dynamická rovnováha.
Keď je PN prechod vystavený svetelnému žiareniu, energia fotónu sa prenesie na nosič náboja a vznikne fotogenerovaný nosič, teda fotogenerovaný pár elektrón-diera. Pôsobením elektrického poľa sa elektrón a diera posunú do oblasti N a oblasti P a smerový drift fotogenerovaného nosiča náboja generuje fotoprúd. Toto je základný princíp fotodetektora s PN prechodom.
(3)PIN fotodetektor
Pinová fotodióda je materiál typu P a typu N medzi vrstvou I, pričom vrstva I je vo všeobecnosti vnútorný alebo nízko dopujúci materiál. Jej mechanizmus fungovania je podobný PN prechodu. Keď je PIN prechod vystavený svetelnému žiareniu, fotón prenáša energiu na elektrón, čím generuje fotogenerované nosiče náboja. Vnútorné alebo vonkajšie elektrické pole oddeľuje fotogenerované páry elektrón-diera v ochudobnenej vrstve a driftované nosiče náboja vytvárajú prúd vo vonkajšom obvode. Úlohou vrstvy I je zväčšiť šírku ochudobnenej vrstvy. Vrstva I sa pri veľkom predpätí úplne stane ochudobnenou vrstvou a generované páry elektrón-diera sa rýchlo oddelia, takže rýchlosť odozvy fotodetektora s PIN prechodom je vo všeobecnosti rýchlejšia ako rýchlosť odozvy detektora s PN prechodom. Nosiče náboja mimo vrstvy I sú tiež zhromažďované ochudobnenou vrstvou prostredníctvom difúzneho pohybu, čím vytvárajú difúzny prúd. Hrúbka vrstvy I je vo všeobecnosti veľmi tenká a jej účelom je zlepšiť rýchlosť odozvy detektora.
(4)APD fotodetektorlavínová fotodióda
Mechanizmuslavínová fotodiódaje podobný ako pri PN prechode. Fotodetektor APD používa silne dopovaný PN prechod, prevádzkové napätie založené na detekcii APD je veľké a keď sa pridá veľké spätné predpätie, vo vnútri APD dôjde ku kolíznej ionizácii a lavínovému násobeniu, čím sa zvýši výkon detektora fotoprúdom. Keď je APD v režime spätného predpätia, elektrické pole v ochudobnenej vrstve bude veľmi silné a fotogenerované nosiče generované svetlom sa rýchlo oddelia a rýchlo driftujú pôsobením elektrického poľa. Existuje pravdepodobnosť, že počas tohto procesu elektróny narazia do mriežky, čo spôsobí ionizáciu elektrónov v mriežke. Tento proces sa opakuje a ionizované ióny v mriežke tiež narazia do mriežky, čo spôsobí zvýšenie počtu nosičov náboja v APD, čo má za následok veľký prúd. Práve tento jedinečný fyzikálny mechanizmus vo vnútri APD umožňuje detektorom založeným na APD vyznačovať sa rýchlou odozvou, veľkým ziskom prúdu a vysokou citlivosťou. V porovnaní s PN a PIN prechodmi má APD rýchlejšiu odozvu, čo je najrýchlejšia odozva medzi súčasnými fotocitlivými elektrónkami.
(5) Schottkyho fotodetektor
Základnou štruktúrou Schottkyho fotodetektora je Schottkyho dióda, ktorej elektrické vlastnosti sú podobné charakteristikám PN prechodu opísaného vyššie a má jednosmernú vodivosť s kladnou vodivosťou a reverzným obmedzením. Keď kov s vysokou výstupnou prácou a polovodič s nízkou výstupnou prácou vytvoria kontakt, vytvorí sa Schottkyho bariéra a výsledný spoj je Schottkyho spoj. Hlavný mechanizmus je do istej miery podobný PN prechodu, napríklad v polovodičoch typu N. Keď sa dva materiály dotýkajú, v dôsledku rôznych koncentrácií elektrónov v oboch materiáloch elektróny v polovodiči difundujú na stranu kovu. Difundované elektróny sa kontinuálne hromadia na jednom konci kovu, čím sa ničí pôvodná elektrická neutralita kovu a na kontaktnom povrchu sa vytvára vstavané elektrické pole z polovodiča na kov. Elektróny sa pod pôsobením vnútorného elektrického poľa driftujú a difúzny a driftový pohyb nosičov náboja sa vykonáva súčasne. Po určitom čase sa dosiahne dynamická rovnováha a nakoniec sa vytvorí Schottkyho spoj. Za svetelných podmienok bariérová oblasť priamo absorbuje svetlo a generuje elektrónovo-dierové páry, zatiaľ čo fotogenerované nosiče náboja vo vnútri PN prechodu musia prejsť difúznou oblasťou, aby sa dostali do oblasti prechodu. V porovnaní s PN prechodom má fotodetektor založený na Schottkyho prechode rýchlejšiu rýchlosť odozvy, ktorá môže dosiahnuť až ns úroveň.
Čas uverejnenia: 13. augusta 2024