Vrsta strukture uređaja fotodetektora

vrstafotodetektorski uređajstruktura
Fotodetektorje uređaj koji pretvara optički signal u električni signal, ‌ njegova struktura i raznolikost, ‌ se uglavnom mogu podijeliti u sljedeće kategorije: ‌
(1) Fotovodljivi fotodetektor
Kada su fotovodljivi uređaji izloženi svjetlu, fotogenerirani nosač povećava njihovu vodljivost i smanjuje njihov otpor. Nosioci pobuđeni na sobnoj temperaturi gibaju se usmjereno pod djelovanjem električnog polja, stvarajući tako struju. U uvjetima svjetlosti, elektroni su pobuđeni i dolazi do prijelaza. U isto vrijeme oni lebde pod djelovanjem električnog polja stvarajući fotostruju. Nastali fotogenerirani nosači povećavaju vodljivost uređaja i time smanjuju otpor. Fotovodljivi fotodetektori obično pokazuju visok dobitak i veliku odzivnost u radu, ali ne mogu odgovoriti na visokofrekventne optičke signale, pa je brzina odziva mala, što u nekim aspektima ograničava primjenu fotovodljivih uređaja.

(2)PN fotodetektor
PN fotodetektor nastaje kontaktom poluvodičkog materijala P-tipa i poluvodičkog materijala N-tipa. Prije nego se uspostavi kontakt, dva materijala su u odvojenom stanju. Fermijeva razina u poluvodiču P-tipa blizu je ruba valentnog pojasa, dok je Fermijeva razina u poluvodiču N-tipa blizu ruba vodljivog pojasa. U isto vrijeme, Fermijeva razina materijala N-tipa na rubu vodljivog pojasa kontinuirano se pomiče prema dolje sve dok Fermijeva razina dva materijala ne bude u istom položaju. Promjena položaja vodljive vrpce i valentne vrpce također je popraćena savijanjem vrpce. 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 u P-tip, dok će elektroni u materijalima N-tipa difundirati u suprotnom smjeru od rupa. Nekompenzirano područje koje nastaje difuzijom elektrona i šupljina formirat će ugrađeno električno polje, a ugrađeno električno polje će trend pomicanja nositelja, a smjer pomicanja je upravo suprotan smjeru difuzije, što znači da formiranje ugrađenog električnog polja sprječava difuziju nositelja, a unutar PN spoja postoje i difuzija i drift sve dok se dvije vrste gibanja ne uravnoteže, tako da je statički tok nositelja jednak nuli. Unutarnja dinamička ravnoteža.
Kada se PN spoj izloži svjetlosnom zračenju, energija fotona se prenosi na nosač, te se generira fotogenerirani nosilac, odnosno fotogenerirani par elektron-šupljina. Pod djelovanjem električnog polja, elektron i šupljina odmiču prema N području odnosno P području, a smjerni pomak fotogeneriranog nositelja stvara fotostruju. Ovo je osnovni princip fotodetektora PN spoja.

(3)PIN fotodetektor
Pin fotodioda je P-tip materijala i N-tip materijala između I sloja, I sloj materijala općenito je intrinzični ili nisko dopirani materijal. Njegov radni mehanizam sličan je PN spoju, kada je PIN spoj izložen svjetlosnom zračenju, foton prenosi energiju na elektron, generirajući fotogenerirane nositelje naboja, a unutarnje električno polje ili vanjsko električno polje će odvojiti fotogenerirani elektron-rupu parova u osiromašenom sloju, a pomaknuti nositelji naboja formirat će struju u vanjskom krugu. Uloga sloja I je proširiti širinu osiromašenog sloja, a sloj I će u potpunosti postati osiromašeni sloj pod velikim prednaponom, a generirani parovi elektron-šupljina brzo će se razdvojiti, tako da brzina odziva Fotodetektor PIN spoja općenito je brži od detektora PN spoja. Nositelje izvan I sloja također skuplja osiromašeni sloj kroz difuzijsko gibanje, tvoreći difuzijsku struju. Debljina I sloja općenito je vrlo tanka, a svrha mu je poboljšati brzinu odziva detektora.

(4)APD fotodetektorlavinska fotodioda
Mehanizam odlavinska fotodiodasličan je PN spoju. APD fotodetektor koristi jako dopirani PN spoj, radni napon temeljen na APD detekciji je velik, a kada se doda veliki reverzni bias, unutar APD-a će se dogoditi ionizacija sudara i lavinsko umnožavanje, a performanse detektora povećavaju fotostruju. Kada je APD u načinu rada s obrnutom prednapregnutošću, električno polje u osiromašenom sloju bit će vrlo jako, a fotogenerirani nositelji koje stvara svjetlost brzo će se odvojiti i brzo odlutati pod djelovanjem električnog polja. Postoji vjerojatnost da će elektroni udariti u rešetku tijekom ovog procesa, uzrokujući ionizaciju elektrona u rešetki. Ovaj se proces ponavlja, a ionizirani ioni u rešetki također se sudaraju s rešetkom, uzrokujući povećanje broja nositelja naboja u APD-u, što rezultira velikom strujom. Zbog ovog jedinstvenog fizičkog mehanizma unutar APD-a detektori temeljeni na APD-u općenito imaju karakteristike brze reakcije, velikog dobitka vrijednosti struje i visoke osjetljivosti. U usporedbi s PN spojem i PIN spojem, APD ima veću brzinu odziva, što je najbrža brzina odziva među trenutnim fotoosjetljivim cijevima.


(5) Fotodetektor Schottkyjevog spoja
Osnovna struktura fotodetektora Schottky spoja je Schottky dioda, čija su električna svojstva slična onima gore opisanog PN spoja, te ima jednosmjernu vodljivost s pozitivnim vodljenjem i obrnutim prekidom. Kada metal s visokim radom izlaza i poluvodič s niskim radom izlaza naprave kontakt, formira se Schottkyjeva barijera, a rezultirajući spoj je Schottkyjev spoj. Glavni mehanizam je donekle sličan PN spoju, uzimajući poluvodiče N-tipa kao primjer, kada dva materijala formiraju kontakt, zbog različitih koncentracija elektrona dva materijala, elektroni u poluvodiču će difundirati na metalnu stranu. Difuzni elektroni kontinuirano se nakupljaju na jednom kraju metala, uništavajući tako izvornu električnu neutralnost metala, tvoreći ugrađeno električno polje od poluvodiča do metala na kontaktnoj površini, a elektroni će odlutati pod djelovanjem unutarnje električno polje, a difuzija i drift prijenosa nositelja odvijat će se istovremeno, nakon određenog vremenskog razdoblja da bi se postigla dinamička ravnoteža, i konačno formirao Schottkyjev spoj. Pod svjetlosnim uvjetima, područje barijere izravno apsorbira svjetlost i generira parove elektron-šupljina, dok fotogenerirani nosioci unutar PN spoja trebaju proći kroz područje difuzije kako bi došli do područja spoja. U usporedbi s PN spojem, fotodetektor temeljen na Schottky spoju ima veću brzinu odziva, a brzina odziva može čak doseći razinu ns.


Vrijeme objave: 13. kolovoza 2024