Типфотоприемникструктура
Фотодетекторэто устройство, которое преобразует оптический сигнал в электрический сигнал, его структуру и разновидность можно в основном разделить на следующие категории:
(1) Фотопроводящий фотодетектор
Когда фотопроводящие устройства подвергаются воздействию света, фотогенерируемый носитель увеличивает их проводимость и уменьшает их сопротивление. Возбуждённые при комнатной температуре носители носителей движутся направленно под действием электрического поля, генерируя ток. Под действием света электроны возбуждаются и происходит переход. При этом они дрейфуют под действием электрического поля, образуя фототок. Образующиеся фотогенерированные носители увеличивают проводимость устройства и тем самым уменьшают сопротивление. Фотопроводящие фотодетекторы обычно демонстрируют высокий коэффициент усиления и высокую быстроту реакции, но они не могут реагировать на высокочастотные оптические сигналы, поэтому скорость срабатывания низкая, что в некоторых аспектах ограничивает применение фотопроводящих устройств.
(2)Фотоприемник ПН
Фотодетектор PN формируется путем контакта между полупроводниковым материалом P-типа и полупроводниковым материалом N-типа. До образования контакта два материала находятся в отдельном состоянии. Уровень Ферми в полупроводнике P-типа близок к краю валентной зоны, а 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. PN-переход 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 материалы P-типа, тогда как электроны в материалах N-типа будут диффундировать в направлении, противоположном отверстиям. Некомпенсированная область, оставленная диффузией электронов и дырок, будет формировать встроенное электрическое поле, а встроенное электрическое поле будет иметь тенденцию к дрейфу носителей, причем направление дрейфа прямо противоположно направлению диффузии, что означает, что образование встроенного электрического поля предотвращает диффузию носителей, и внутри PN-перехода происходит как диффузия, так и дрейф до тех пор, пока два вида движения не будут сбалансированы, так что статический поток носителей равен нулю. Внутренний динамический баланс.
Когда PN-переход подвергается воздействию светового излучения, энергия фотона передается носителю, и генерируется фотогенерированный носитель, то есть фотогенерированная электрон-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 работы фотодетектора с PN-переходом.
(3)PIN-фотодетектор
Штыревой фотодиод представляет собой материал P-типа и материал N-типа между I-слоем, I-слой материала обычно представляет собой собственный материал или материал с низким уровнем легирования. Механизм его работы 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 отделяет фотогенерированный электрон-дырку. пары в обедненном слое, а дрейфующие носители заряда будут формировать ток во внешней цепи. Роль слоя I заключается в расширении ширины обедненного слоя, а слой I полностью станет обедненным слоем под большим напряжением смещения, и генерируемые электронно-дырочные пары будут быстро разделяться, поэтому скорость отклика Фотодетектор PIN-перехода обычно работает быстрее, чем фотодетектор PN-перехода. Носители вне I-слоя также собираются слоем обеднения посредством диффузионного движения, образуя диффузионный ток. Толщина I-слоя обычно очень тонкая, и его цель — улучшить скорость срабатывания детектора.
(4)фотодетектор АФДлавинный фотодиод
Механизмлавинный фотодиоданалогичен PN-переходу. В фотодетекторе ЛФД используется сильно легированный PN-переход, рабочее напряжение, основанное на обнаружении ЛФД, велико, и при добавлении большого обратного смещения внутри ЛФД происходит столкновительная ионизация и лавинное умножение, а производительность детектора увеличивается фототок. Когда ЛФД 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 во время этого процесса электроны столкнутся с решеткой, что приведет к ионизации электронов в решетке. Этот процесс повторяется, и ионизированные ионы в решетке также сталкиваются с решеткой, в результате чего количество носителей заряда в ЛФД увеличивается, что приводит к большому току. Именно этот уникальный физический механизм внутри ЛФД обеспечивает детекторам на основе ЛФД такие характеристики, как высокая скорость отклика, большой коэффициент усиления по току и высокая чувствительность. По сравнению с PN-переходом и PIN-переходом, APD имеет более высокую скорость отклика, что является самой высокой скоростью отклика среди современных светочувствительных трубок.
(5) Фотодетектор на переходе Шоттки
Базовая структура фотодетектора на переходе 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 работой выхода и полупроводник с низкой работой выхода образуют контакт, образуется барьер Шоттки, и образующийся переход является переходом Шоттки. Основной механизм несколько похож на PN-переход, на примере полупроводников N-типа: когда два материала образуют контакт, из-за разной концентрации электронов в двух материалах электроны в полупроводнике будут диффундировать в сторону металла. Диффузионные электроны непрерывно накапливаются на одном конце металла, тем самым разрушая первоначальную электронейтральность металла, образуя встроенное электрическое поле от полупроводника к металлу на контактной поверхности, и электроны будут дрейфовать под действием внутреннее электрическое поле, а диффузия и дрейфовое движение носителя будут осуществляться одновременно, через некоторое время, чтобы достичь динамического равновесия и, наконец, сформировать переход Шоттки. В условиях освещения барьерная область непосредственно поглощает свет и генерирует пары электрон-дырка, в то время как фотогенерированные носители внутри PN-перехода должны пройти через диффузионную область, чтобы достичь области перехода. По сравнению с PN-переходом фотоприемник на основе перехода Шоттки имеет более высокую скорость срабатывания, причем скорость срабатывания может достигать даже уровня нс.
Время публикации: 13 августа 2024 г.