Вид нафотодетекторно устройствоструктура
Фотодетекторе устройство, което преобразува оптичния сигнал в електрически сигнал, чиято структура и разнообразие могат да бъдат разделени главно на следните категории:
(1) Фотопроводящ фотодетектор
Когато фотопроводящите устройства са изложени на светлина, фотогенерираният носител увеличава проводимостта си и намалява съпротивлението си. Носителите, възбудени при стайна температура, се движат насочено под действието на електрическо поле, генерирайки по този начин ток. При условия на светлина електроните се възбуждат и се получава преход. В същото време те се движат под действието на електрическо поле, образувайки фототок. Получените фотогенерирани носители увеличават проводимостта на устройството и по този начин намаляват съпротивлението. Фотопроводящите фотодетектори обикновено показват високо усилване и отлична реакция, но не могат да реагират на високочестотни оптични сигнали, така че скоростта на реакция е бавна, което ограничава приложението на фотопроводящите устройства в някои аспекти.
(2)PN фотодетектор
PN фотодетекторът се образува от контакта между P-тип полупроводников материал и N-тип полупроводников материал. Преди да се образува контакт, двата материала са в отделно състояние. Нивото на Ферми в P-тип полупроводника е близо до ръба на валентната зона, докато нивото на Ферми в N-тип полупроводника е близо до ръба на проводимата зона. В същото време, нивото на Ферми на N-тип материала на ръба на проводимата зона непрекъснато се измества надолу, докато нивото на Ферми на двата материала не се изравни. Промяната на положението на проводимата и валентната зона е съпроводена и с огъване на зоната. PN преходът е в равновесие и има равномерно ниво на Ферми. От гледна точка на анализа на носителите на заряд, повечето носители на заряд в P-тип материалите са дупки, докато повечето носители на заряд в N-тип материалите са електрони. Когато двата материала са в контакт, поради разликата в концентрацията на носителите, електроните в N-тип материалите ще дифундират към P-тип, докато електроните в N-тип материалите ще дифундират в обратна посока на дупките. Некомпенсираната зона, оставена от дифузията на електрони и дупки, ще образува вградено електрическо поле, а вграденото електрическо поле ще има тенденция към дрейф на носителите, като посоката на дрейф е точно обратна на посоката на дифузия. Това означава, че образуването на вградено електрическо поле предотвратява дифузията на носителите и има както дифузия, така и дрейф вътре в PN прехода, докато двата вида движение не се балансират, така че статичният поток на носителите да е нулев. Вътрешен динамичен баланс.
Когато PN преходът е изложен на светлинно лъчение, енергията на фотона се предава на носителя и се генерира фотогенерираният носител, т.е. фотогенерираната електрон-дупкова двойка. Под действието на електрическото поле електронът и дупката се преместват съответно в N-областта и P-областта, а насоченият дрейф на фотогенерирания носител генерира фототок. Това е основният принцип на фотодетектора с PN преход.
(3)ПИН фотодетектор
Pin фотодиодът е P-тип материал и N-тип материал между I слоя, като I слоят на материала обикновено е вътрешен или нисколегиран материал. Механизмът му на действие е подобен на PN прехода. Когато PIN преходът е изложен на светлинно лъчение, фотонът предава енергия на електрона, генерирайки фотогенерирани носители на заряд. Вътрешното или външното електрическо поле ще раздели фотогенерираните електрон-дупкови двойки в изчерпания слой, а дрейфуващите носители на заряд ще образуват ток във външната верига. Ролята на I слой е да разшири ширината на изчерпания слой. Под голямо напрежение на отклонение I слой напълно ще се превърне в изчерпания слой и генерираните електрон-дупкови двойки ще се разделят бързо, така че скоростта на реакция на PIN преходния фотодетектор обикновено е по-бърза от тази на PN преходния детектор. Носителите извън I слоя също се събират от изчерпания слой чрез дифузионно движение, образувайки дифузионен ток. Дебелината на I слоя обикновено е много тънка и целта му е да подобри скоростта на реакция на детектора.
(4)APD фотодетекторлавинов фотодиод
Механизмът налавинов фотодиоде подобен на този на PN прехода. APD фотодетекторът използва силно легиран PN преход, работното напрежение, базирано на APD детекцията, е голямо и когато се добави голямо обратно отклонение, вътре в APD ще възникне йонизация от сблъсък и лавинно умножение, а производителността на детектора ще увеличи фототока. Когато APD е в режим на обратно отклонение, електрическото поле в изчерпващия слой ще бъде много силно и фотогенерираните носители, генерирани от светлината, ще се отделят бързо и ще се дрейфират бързо под действието на електрическото поле. Съществува вероятност електроните да се сблъскат с решетката по време на този процес, което ще доведе до йонизация на електроните в решетката. Този процес се повтаря и йонизираните йони в решетката също се сблъскват с решетката, което води до увеличаване на броя на носителите на заряд в APD, което води до голям ток. Именно този уникален физически механизъм вътре в APD е причината, поради която APD детекторите обикновено се характеризират с бърза скорост на реакция, голямо усилване на тока и висока чувствителност. В сравнение с PN прехода и PIN прехода, APD има по-бърза скорост на реакция, което е най-бързата скорост на реакция сред съвременните фоточувствителни тръби.
(5) Фотодетектор с преход на Шотки
Основната структура на фотодетектора с Шотки преход е Шотки диод, чиито електрически характеристики са подобни на тези на описания по-горе PN преход и той има еднопосочна проводимост с положителна проводимост и обратно прекъсване. Когато метал с висока работна функция и полупроводник с ниска работна функция образуват контакт, се образува Шотки бариера и полученият преход е Шотки преход. Основният механизъм е донякъде подобен на PN прехода, като се вземат за пример N-тип полупроводници. Когато два материала образуват контакт, поради различната електронна концентрация на двата материала, електроните в полупроводника ще дифундират към металната страна. Дифузираните електрони се натрупват непрекъснато в единия край на метала, като по този начин разрушават първоначалната електрическа неутралност на метала, образувайки вградено електрическо поле от полупроводника към метала на контактната повърхност, а електроните ще се дрейфират под действието на вътрешното електрическо поле, като дифузионното и дрейфовото движение на носителя ще се извършват едновременно, след определен период от време, за да достигнат динамично равновесие, и накрая ще образуват Шотки преход. При условия на светлина, бариерната област директно абсорбира светлината и генерира електрон-дупкови двойки, докато фотогенерираните носители вътре в PN прехода трябва да преминат през дифузионната област, за да достигнат областта на прехода. В сравнение с PN прехода, фотодетекторът, базиран на Шотки преход, има по-бърза скорост на реакция, която може да достигне дори ns ниво.
Време на публикуване: 13 август 2024 г.