Типфотодетекторски уређајструктура
Фотодетекторје уређај који претвара оптички сигнал у електрични сигнал, његова структура и разноликост, могу се углавном поделити у следеће категорије:
(1) Фотопроводни фотодетектор
Када су фотопроводљиви уређаји изложени светлости, фотогенерисани носилац повећава своју проводљивост и смањује отпор. Носиоци побуђени на собној температури крећу се усмерено под дејством електричног поља, генеришући тако струју. Под утицајем светлости, електрони се побуђују и долази до прелаза. Истовремено, они дрифтују под дејством електричног поља и формирају фотострују. Добијени фотогенерисани носиоци повећавају проводљивост уређаја и тако смањују отпор. Фотопроводљиви фотодетектори обично показују високо појачање и одличан одзив у перформансама, али не могу да реагују на високофреквентне оптичке сигнале, па је брзина одзива мала, што ограничава примену фотопроводљивих уређаја у неким аспектима.
(2)ПН фотодетектор
ПН фотодетектор се формира контактом између П-типа полупроводничког материјала и Н-типа полупроводничког материјала. Пре него што се контакт формира, два материјала су у одвојеном стању. Фермијев ниво у П-типу полупроводнику је близу ивице валентне зоне, док је Фермијев ниво у Н-типу полупроводнику близу ивице проводне зоне. Истовремено, Фермијев ниво Н-типа на ивици проводне зоне се континуирано помера надоле док Фермијев ниво два материјала не буде у истом положају. Промена положаја проводне и валентне зоне је такође праћена савијањем зоне. ПН спој је у равнотежи и има једноличан Фермијев ниво. Са становишта анализе носилаца наелектрисања, већина носилаца наелектрисања у П-типу материјалима су шупљине, док су већина носилаца наелектрисања у Н-типу електрони. Када су два материјала у контакту, због разлике у концентрацији носилаца, електрони у Н-типу материјалима ће дифундовати ка П-типу, док ће електрони у Н-типу материјалима дифундовати у супротном смеру од шупљина. Некомпензована површина коју оставља дифузија електрона и шупљина формираће уграђено електрично поље, а уграђено електрично поље ће довести до померања носилаца наелектрисања, а смер померања је управо супротан од смера дифузије, што значи да формирање уграђеног електричног поља спречава дифузију носилаца, а унутар PN споја постоје и дифузија и померање док се две врсте кретања не уравнотеже, тако да статички ток носилаца буде једнак нули. Унутрашња динамичка равнотежа.
Када је PN спој изложен светлосном зрачењу, енергија фотона се преноси на носилац, и генерише се фотогенерисани носилац, односно фотогенерисани електрон-шупљи пар. Под дејством електричног поља, електрон и шупљина се померају ка N региону и P региону, респективно, а усмерени помак фотогенерисаног носиоца генерише фотострују. Ово је основни принцип фотодетектора са PN спојем.
(3)ПИН фотодетектор
Пин фотодиода је материјал P-типа и N-типа између I слоја, при чему је I слој материјала генерално интринзични или материјал са ниским допингом. Њен механизам рада је сличан PN споју. Када је PIN спој изложен светлосном зрачењу, фотон преноси енергију на електрон, генеришући фотогенерисане носиоце наелектрисања, а унутрашње електрично поље или спољашње електрично поље ће раздвојити фотогенерисане парове електрона и шупљине у слоју осиромашења, а дрифтовани носиоци наелектрисања ће формирати струју у спољашњем колу. Улога слоја I је да прошири ширину слоја осиромашења, а слој I ће под великим напоном преднапона потпуно постати слој осиромашења, а генерисани парови електрона и шупљине ће се брзо раздвојити, тако да је брзина одзива фотодетектора са PIN спојем генерално већа од брзине одзива детектора са PN спојем. Носиоци изван I слоја се такође сакупљају у слоју осиромашења путем дифузионог кретања, формирајући дифузијску струју. Дебљина I слоја је генерално веома танка, а његова сврха је да побољша брзину одзива детектора.
(4)АПД фотодетекторлавинска фотодиода
Механизамлавинска фотодиодасличан је PN споју. APD фотодетектор користи јако допирани PN спој, радни напон заснован на APD детекцији је велики, а када се дода велика обрнута поларност, унутар APD-а ће доћи до сударијске јонизације и лавинских мултипликација, а перформансе детектора се повећавају због фотострује. Када је APD у режиму обрнуте поларности, електрично поље у слоју осиромашења биће веома јако, а фотогенерисани носиоци генерисани светлошћу ће се брзо одвојити и брзо дрифтовати под дејством електричног поља. Постоји вероватноћа да ће електрони током овог процеса ударити у решетку, узрокујући јонизацију електрона у решетки. Овај процес се понавља, а јонизовани јони у решетки се такође сударају са решетком, што доводи до повећања броја носилаца наелектрисања у APD-у, што резултира великом струјом. Управо је овај јединствени физички механизам унутар APD-а узрок да детектори засновани на APD-у генерално имају карактеристике брзе брзине одзива, великог појачања струјне вредности и високе осетљивости. У поређењу са PN спојем и PIN спојем, APD има бржу брзину одзива, што је најбржа брзина одзива међу тренутним фотосензитивним цевима.
(5) Фотодетектор са Шоткијевим спојем
Основна структура фотодетектора са Шоткијевим спојем је Шоткијева диода, чије су електричне карактеристике сличне карактеристикама PN споја описаног горе, и има једносмерну проводљивост са позитивном проводљивошћу и обрнутим граничником. Када метал са високим излазним радом и полупроводник са ниским излазним радом формирају контакт, формира се Шоткијева баријера, а резултујући спој је Шоткијев спој. Главни механизам је донекле сличан PN споју, узимајући N-тип полупроводника као пример, када два материјала формирају контакт, због различитих концентрација електрона у два материјала, електрони у полупроводнику ће дифундовати ка страни метала. Дифузовани електрони се континуирано акумулирају на једном крају метала, чиме се уништава оригинална електрична неутралност метала, формирајући уграђено електрично поље од полупроводника до метала на контактној површини, а електрони ће дрифтовати под дејством унутрашњег електричног поља, а дифузијско и дрифт кретање носиоца ће се вршити истовремено, након одређеног временског периода да би се достигла динамичка равнотежа, и коначно формира Шоткијев спој. Под условима осветљења, баријерна област директно апсорбује светлост и генерише електрон-шупљинске парове, док фотогенерисани носиоци унутар PN споја морају да прођу кроз дифузијску област да би стигли до области споја. У поређењу са PN спојем, фотодетектор заснован на Шоткијевом споју има бржу брзину одзива, а брзина одзива може чак достићи и ns ниво.
Време објаве: 13. август 2024.