Типфотоприемное устройствоструктура
Фотодетекторэто устройство, преобразующее оптический сигнал в электрический сигнал, его структуру и разновидности можно в основном разделить на следующие категории:
(1) Фотопроводящий фотодетектор
Когда фотопроводящие устройства подвергаются воздействию света, фотогенерированные носители увеличивают свою проводимость и уменьшают свое сопротивление. Возбужденные при комнатной температуре носители движутся направленно под действием электрического поля, тем самым генерируя ток. Под воздействием света электроны возбуждаются и происходит переход. В то же время они дрейфуют под действием электрического поля, образуя фототок. Полученные фотогенерированные носители увеличивают проводимость устройства и тем самым уменьшают сопротивление. Фотопроводящие фотодетекторы обычно показывают высокий коэффициент усиления и большую отзывчивость в производительности, но они не могут реагировать на высокочастотные оптические сигналы, поэтому скорость отклика низкая, что ограничивает применение фотопроводящих устройств в некоторых аспектах.
(2)ПН фотодетектор
Фотодетектор PN формируется путем контакта между полупроводниковым материалом P-типа и полупроводниковым материалом N-типа. До образования контакта два материала находятся в раздельном состоянии. Уровень Ферми в полупроводнике P-типа близок к краю валентной зоны, в то время как уровень Ферми в полупроводнике N-типа близок к краю зоны проводимости. В то же время уровень Ферми материала N-типа на краю зоны проводимости непрерывно смещается вниз до тех пор, пока уровень Ферми двух материалов не окажется в одном и том же положении. Изменение положения зоны проводимости и валентной зоны также сопровождается изгибом зоны. Переход PN находится в равновесии и имеет однородный уровень Ферми. С точки зрения анализа носителей заряда большинство носителей заряда в материалах P-типа являются дырками, тогда как большинство носителей заряда в материалах N-типа являются электронами. Когда два материала находятся в контакте, из-за разницы в концентрации носителей, электроны в материалах N-типа будут диффундировать в P-тип, в то время как электроны в материалах N-типа будут диффундировать в противоположном направлении к дыркам. Нескомпенсированная область, оставленная диффузией электронов и дырок, сформирует встроенное электрическое поле, а встроенное электрическое поле будет способствовать дрейфу носителей, и направление дрейфа будет прямо противоположно направлению диффузии, что означает, что формирование встроенного электрического поля предотвращает диффузию носителей, и внутри PN-перехода будут как диффузия, так и дрейф, пока два вида движения не будут сбалансированы, так что статический поток носителей будет равен нулю. Внутренний динамический баланс.
При воздействии светового излучения на PN-переход энергия фотона передается носителю, и генерируется фотогенерированный носитель, то есть фотогенерированная электронно-дырочная пара. Под действием электрического поля электрон и дырка дрейфуют в область N и область P соответственно, а направленный дрейф фотогенерированного носителя генерирует фототок. Это основной принцип фотодетектора на PN-переходе.
(3)PIN-фотодетектор
Pin-фотодиод представляет собой материал P-типа и материал N-типа между слоем I, слой I материала обычно является собственным или низколегированным материалом. Его рабочий механизм аналогичен PN-переходу, когда PIN-переход подвергается воздействию светового излучения, фотон передает энергию электрону, генерируя фотогенерированные носители заряда, а внутреннее электрическое поле или внешнее электрическое поле разделит фотогенерированные пары электрон-дырка в обедненном слое, а дрейфующие носители заряда сформируют ток во внешней цепи. Роль, которую играет слой I, заключается в расширении ширины обедненного слоя, и слой I полностью станет обедненным слоем при большом напряжении смещения, а сгенерированные пары электрон-дырка будут быстро разделяться, поэтому скорость отклика фотодетектора PIN-перехода, как правило, выше, чем у детектора PN-перехода. Носители за пределами слоя I также собираются обедненным слоем посредством диффузионного движения, образуя диффузионный ток. Толщина слоя I обычно очень мала, и его цель — улучшить скорость отклика детектора.
(4)Фотодетектор APDлавинный фотодиод
Механизмлавинный фотодиодпохож на PN-переход. Фотодетектор APD использует сильнолегированный PN-переход, рабочее напряжение на основе обнаружения APD велико, и когда добавляется большое обратное смещение, внутри APD будет происходить ионизация соударений и лавинное умножение, а производительность детектора увеличивается фототоком. Когда APD находится в режиме обратного смещения, электрическое поле в обедненном слое будет очень сильным, и фотогенерированные носители, генерируемые светом, будут быстро разделяться и быстро дрейфовать под действием электрического поля. Существует вероятность того, что электроны будут сталкиваться с решеткой во время этого процесса, в результате чего электроны в решетке будут ионизированы. Этот процесс повторяется, и ионизированные ионы в решетке также сталкиваются с решеткой, в результате чего количество носителей заряда в APD увеличивается, что приводит к большому току. Именно этот уникальный физический механизм внутри APD позволяет детекторам на основе APD обычно иметь характеристики быстрой скорости отклика, большого усиления по току и высокой чувствительности. По сравнению с PN-переходом и PIN-переходом, APD имеет более высокую скорость отклика, которая является самой высокой скоростью отклика среди современных фоточувствительных трубок.
(5) Фотодетектор на основе перехода Шоттки
Базовая структура фотодетектора на основе перехода Шоттки представляет собой диод Шоттки, электрические характеристики которого аналогичны характеристикам PN-перехода, описанного выше, и он имеет однонаправленную проводимость с положительной проводимостью и обратной отсечкой. Когда металл с высокой рабочей функцией и полупроводник с низкой рабочей функцией образуют контакт, образуется барьер Шоттки, а полученный переход является переходом Шоттки. Основной механизм несколько похож на PN-переход, если взять в качестве примера полупроводники N-типа, когда два материала образуют контакт, из-за разной концентрации электронов двух материалов электроны в полупроводнике будут диффундировать в сторону металла. Диффузные электроны непрерывно накапливаются на одном конце металла, тем самым разрушая изначальную электрическую нейтральность металла, образуя встроенное электрическое поле от полупроводника к металлу на поверхности контакта, и электроны будут дрейфовать под действием внутреннего электрического поля, а диффузия и дрейфовое движение носителей будут осуществляться одновременно, через некоторое время достигая динамического равновесия, и в конечном итоге образуя переход Шоттки. В условиях света область барьера непосредственно поглощает свет и генерирует пары электрон-дырка, в то время как фотогенерированные носители внутри PN-перехода должны пройти через область диффузии, чтобы достичь области перехода. По сравнению с PN-переходом фотодетектор на основе перехода Шоттки имеет более высокую скорость отклика, и скорость отклика может даже достигать уровня ns.
Время публикации: 13-авг-2024