Vrstafotodetektorski uređajstruktura
Fotodetektorje uređaj koji pretvara optički signal u električni signal, njegova struktura i raznolikost, može se uglavnom podijeliti u sljedeće kategorije:
(1) Fotovodljivi fotodetektor
Kada su fotovodljivi uređaji izloženi svjetlosti, fotogenerirani nosilac povećava njihovu vodljivost i smanjuje otpor. Nosioci naboja pobuđeni na sobnoj temperaturi kreću se usmjereno pod djelovanjem električnog polja, stvarajući tako struju. Pod utjecajem svjetlosti, elektroni se pobuđuju i dolazi do prijelaza. Istovremeno, oni se pomiču pod djelovanjem električnog polja stvarajući fotostruju. Rezultirajući fotogenerirani nosioci povećavaju vodljivost uređaja i time smanjuju otpor. Fotovodljivi fotodetektori obično pokazuju visoko pojačanje i veliki odziv u performansama, ali ne mogu reagirati na visokofrekventne optičke signale, pa je brzina odziva spora, što u nekim aspektima ograničava primjenu fotovodljivih uređaja.
(2)PN fotodetektor
PN fotodetektor nastaje kontaktom između poluvodičkog materijala P-tipa i poluvodičkog materijala N-tipa. Prije nego što se kontakt formira, dva materijala su u odvojenom stanju. Fermijeva razina u poluvodiču P-tipa je blizu ruba valentnog pojasa, dok je Fermijeva razina u poluvodiču N-tipa blizu ruba vodljivog pojasa. Istovremeno, Fermijeva razina materijala N-tipa na rubu vodljivog pojasa kontinuirano se pomiče prema dolje sve dok Fermijeva razina dvaju materijala ne bude u istom položaju. Promjena položaja vodljivog i valentnog pojasa također je popraćena savijanjem pojasa. PN spoj je u ravnoteži i ima jednoliku Fermijevu razinu. S aspekta analize nositelja naboja, većina nositelja naboja u materijalima P-tipa su šupljine, dok su većina nositelja naboja u materijalima N-tipa elektroni. Kada su dva materijala u kontaktu, zbog razlike u koncentraciji nositelja, elektroni u materijalima N-tipa će difundirati prema P-tipu, dok će elektroni u materijalima N-tipa difundirati u suprotnom smjeru od šupljina. Nekompenzirano područje koje nastaje difuzijom elektrona i šupljina formirat će ugrađeno električno polje, a ugrađeno električno polje će uzrokovati pomicanje nosioca naboja, a smjer pomicanja je upravo suprotan smjeru difuzije, što znači da formiranje ugrađenog električnog polja sprječava difuziju nosioca naboja, te postoje i difuzija i pomicanje unutar PN spoja sve dok se dvije vrste gibanja ne uravnoteže, tako da statički tok nosioca bude jednak nuli. Unutarnja dinamička ravnoteža.
Kada je PN spoj izložen svjetlosnom zračenju, energija fotona se prenosi na nosač, te se generira fotogenerirani nosač, odnosno fotogenerirani par elektron-šupljina. Pod djelovanjem električnog polja, elektron i šupljina driftaju u N područje, odnosno P područje, a usmjereni drift fotogeneriranog nosača generira fotostruju. To je osnovni princip fotodetektora s PN spojem.
(3)PIN fotodetektor
Pin fotodioda je materijal P-tipa i N-tipa između I sloja, pri čemu je I sloj materijala općenito intrinzični ili materijal s niskim dopiranjem. Njegov mehanizam rada sličan je PN spoju. Kada je PIN spoj izložen svjetlosnom zračenju, foton prenosi energiju na elektron, stvarajući fotogenerirane nosioce naboja, a unutarnje električno polje ili vanjsko električno polje razdvaja fotogenerirane parove elektron-šupljina u osiromašenom sloju, a pomješani nosioci naboja formiraju struju u vanjskom krugu. Uloga sloja I je proširiti širinu osiromašenog sloja, a sloj I će pod velikim naponom prednapona potpuno postati osiromašeni sloj, a generirani parovi elektron-šupljina brzo će se razdvojiti, pa je brzina odziva fotodetektora s PIN spojem općenito veća od brzine odziva detektora s PN spojem. Nosioci izvan I sloja također se skupljaju u osiromašenom sloju difuzijskim gibanjem, stvarajući difuzijsku struju. Debljina I sloja je općenito vrlo tanka, a njegova je svrha poboljšati brzinu odziva detektora.
(4)APD fotodetektorlavinska fotodioda
Mehanizamlavinska fotodiodaSličan je onome kod PN spoja. APD fotodetektor koristi jako dopirani PN spoj, radni napon temeljen na APD detekciji je velik, a kada se doda velika obrnuta pristranost, unutar APD-a će doći do kolizijske ionizacije i lavinskog multiplikatora, a performanse detektora će se povećati fotostrujom. Kada je APD u načinu rada obrnute pristranosti, električno polje u sloju osiromašenja bit će vrlo jako, a fotogenerirani nosioci generirani svjetlošću brzo će se odvojiti i brzo će se pomicati pod djelovanjem električnog polja. Postoji vjerojatnost da će elektroni tijekom ovog procesa udariti u rešetku, uzrokujući ionizaciju elektrona u rešetki. Ovaj se proces ponavlja, a ionizirani ioni u rešetki također se sudaraju s rešetkom, uzrokujući povećanje broja nosioca naboja u APD-u, što rezultira velikom strujom. Upravo taj jedinstveni fizički mehanizam unutar APD-a detektori temeljeni na APD-u općenito imaju karakteristike brze brzine odziva, velikog pojačanja struje i visoke osjetljivosti. U usporedbi s PN spojem i PIN spojem, APD ima bržu brzinu odziva, što je najbrža brzina odziva među trenutnim fotosenzitivnim cijevima.
(5) Schottkyjev spojni fotodetektor
Osnovna struktura Schottky spojnog fotodetektora je Schottky dioda, čije su električne karakteristike slične onima gore opisanog PN spoja, a ima jednosmjernu vodljivost s pozitivnom vodljivošću i obrnutim prekidom. Kada metal s visokom radnom funkcijom i poluvodič s niskom radnom funkcijom formiraju kontakt, formira se Schottky barijera, a rezultirajući spoj je Schottky spoj. Glavni mehanizam je donekle sličan PN spoju, uzimajući N-tip poluvodiča kao primjer, kada dva materijala formiraju kontakt, zbog različitih koncentracija elektrona dvaju materijala, elektroni u poluvodiču će difundirati prema metalnoj strani. Difuzirani elektroni će se kontinuirano nakupljati na jednom kraju metala, čime se uništava izvorna električna neutralnost metala, formirajući ugrađeno električno polje od poluvodiča do metala na kontaktnoj površini, a elektroni će driftirati pod djelovanjem unutarnjeg električnog polja, a difuzijsko i driftno gibanje nosioca će se provoditi istovremeno, nakon određenog vremena da bi se postigla dinamička ravnoteža, i konačno formirao Schottky spoj. U uvjetima osvjetljenja, područje barijere izravno apsorbira svjetlost i generira elektron-šupljinske parove, dok fotogenerirani nosioci unutar PN spoja moraju proći kroz difuzijsko područje da bi došli do područja spoja. U usporedbi s PN spojem, fotodetektor baziran na Schottkyjevom spoju ima bržu brzinu odziva, a brzina odziva može doseći čak i ns razinu.
Vrijeme objave: 13. kolovoza 2024.