Типфотоприемное устройствоструктура
Фотодетектор— это устройство, преобразующее оптический сигнал в электрический сигнал. Его структуру и разновидности можно разделить на следующие категории:
(1) Фотопроводящий фотодетектор
При воздействии света на фотопроводящие устройства фотогенерированные носители увеличивают их проводимость и уменьшают сопротивление. Возбужденные при комнатной температуре носители заряда движутся направленно под действием электрического поля, генерируя ток. Под действием света электроны возбуждаются и происходит переход. Одновременно они дрейфуют под действием электрического поля, образуя фототок. Образующиеся фотогенерированные носители заряда увеличивают проводимость устройства и, таким образом, уменьшают сопротивление. Фотопроводящие фотодетекторы обычно демонстрируют высокий коэффициент усиления и высокую скорость отклика, но они не могут реагировать на высокочастотные оптические сигналы, поэтому скорость отклика низкая, что в некоторых случаях ограничивает применение фотопроводящих устройств.
(2)PN-фотодетектор
Фотодетектор PN формируется путем контакта между полупроводниковым материалом P-типа и полупроводниковым материалом N-типа. До образования контакта два материала находятся в раздельных состояниях. 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. 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, в то время как большинство носителей заряда в материалах N-типа являются электронами. При контакте двух материалов, из-за разницы в концентрации носителей заряда, электроны из материалов N-типа будут диффундировать в материалы P-типа, в то время как электроны из материалов N-типа будут диффундировать в направлении, противоположном движению дырок. Нескомпенсированная область, образовавшаяся в результате диффузии электронов и дырок, образует встроенное электрическое поле, которое, в свою очередь, будет способствовать дрейфу носителей заряда, причём направление дрейфа будет прямо противоположно направлению диффузии. Это означает, что формирование встроенного электрического поля препятствует диффузии носителей заряда. Внутри PN-перехода будут происходить как диффузия, так и дрейф до тех пор, пока оба вида движения не будут сбалансированы, так что статический поток носителей заряда станет равным нулю. Внутренний динамический баланс.
При воздействии светового излучения на p-n-переход энергия фотона передаётся носителю заряда, и образуется 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 создаёт фототок. Это основной принцип работы фотодетектора на p-n-переходе.
(3)PIN-фотодетектор
Pin-фотодиод представляет собой материал P-типа и материал N-типа между слоем I, слой I материала, как правило, является собственным или слаболегированным материалом. Его рабочий механизм аналогичен механизму PN-перехода, когда PIN-переход подвергается воздействию светового излучения, фотон передает энергию электрону, генерируя фотогенерированные носители заряда, и внутреннее электрическое поле или внешнее электрическое поле разделяет фотогенерированные электронно-дырочные пары в обедненном слое, а дрейфовые носители заряда образуют ток во внешней цепи. Роль, которую играет слой I, заключается в расширении ширины обедненного слоя, и слой I полностью становится обедненным слоем при большом напряжении смещения, и генерируемые электронно-дырочные пары будут быстро разделяться, поэтому скорость отклика фотодетектора PIN-перехода, как правило, выше, чем у детектора PN-перехода. Носители за пределами I-слоя также собираются обедненным слоем посредством диффузионного движения, образуя диффузионный ток. Толщина слоя I обычно очень мала, и его цель — улучшить скорость реагирования детектора.
(4)Фотодетектор APDлавинный фотодиод
Механизмлавинный фотодиодпохож на PN-переход. Фотодетектор APD использует сильнолегированный PN-переход, рабочее напряжение, основанное на детектировании APD, велико, и при добавлении большого обратного смещения внутри APD будут происходить ударная ионизация и лавинное умножение, и производительность детектора увеличивается за счет фототока. Когда APD находится в режиме обратного смещения, электрическое поле в обедненном слое будет очень сильным, и фотогенерированные светом носители будут быстро разделяться и быстро дрейфовать под действием электрического поля. Существует вероятность того, что электроны будут сталкиваться с решеткой во время этого процесса, что приведет к ионизации электронов в решетке. Этот процесс повторяется, и ионизированные ионы в решетке также сталкиваются с решеткой, что приводит к увеличению числа носителей заряда в APD, что приводит к большому току. Именно этот уникальный физический механизм внутри APD позволяет детекторам на основе APD, как правило, обладать такими характеристиками, 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, которая является самой высокой 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 описанного выше PN-перехода, и обладает однонаправленной проводимостью с положительной проводимостью и обратной отсечкой. При контакте металла с высокой работой выхода и полупроводника с низкой работой выхода образуется барьер Шоттки, и полученный переход является переходом Шоттки. Основной механизм действия в некоторой степени аналогичен механизму PN-перехода, если взять в качестве примера полупроводники N-типа: при контакте двух материалов из-за разной концентрации электронов в этих материалах электроны из полупроводника диффундируют в сторону металла. Диффузные электроны непрерывно накапливаются на одном конце металла, тем самым разрушая изначальную электронейтральность 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 промежуток времени достигая динамического равновесия и, наконец, образуя переход Шоттки. В условиях света барьерная область непосредственно поглощает свет и генерирует электронно-дырочные пары, в то время как фотогенерированные носители внутри p-n-перехода должны пройти через диффузионную область, чтобы достичь области перехода. По сравнению с p-n-переходом, фотодетектор на основе перехода Шоттки имеет более высокую скорость отклика, и скорость отклика может даже достигать наносекундного уровня.
Время публикации: 13 августа 2024 г.