Типфотодетекторное устройствоструктура
ФотодетекторЭто устройство, преобразующее оптический сигнал в электрический. Его конструкция и разнообразие в основном делятся на следующие категории:
(1) Фотопроводящий фотодетектор
При воздействии света на фотопроводящие устройства фотогенерированные носители увеличивают их проводимость и уменьшают сопротивление. Носители, возбужденные при комнатной температуре, движутся направленно под действием электрического поля, генерируя ток. Под воздействием света электроны возбуждаются и происходят переходы. Одновременно они дрейфуют под действием электрического поля, образуя фототок. Образующиеся фотогенерированные носители увеличивают проводимость устройства и, следовательно, уменьшают сопротивление. Фотопроводящие фотодетекторы обычно демонстрируют высокое усиление и высокую скорость отклика, но они не могут реагировать на высокочастотные оптические сигналы, поэтому скорость отклика низкая, что ограничивает применение фотопроводящих устройств в некоторых аспектах.
(2)Фотодетектор PN
Фотодетектор на основе PN-структуры образуется за счет 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 находится близко к краю валентной зоны, тогда как уровень Ферми в полупроводнике N-типа находится близко к краю зоны проводимости. В то же время уровень Ферми материала N-типа на краю зоны проводимости непрерывно смещается вниз до тех пор, пока уровни Ферми обоих материалов не окажутся в одном положении. Изменение положения зоны проводимости и валентной зоны также сопровождается изгибом зон. 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 заряда электроны в материалах N-типа диффундируют в материалы P-типа, в то время как электроны в материалах N-типа диффундируют в противоположном направлении по отношению к дыркам. Некомпенсированная область, оставшаяся после диффузии электронов и дырок, образует встроенное электрическое поле, которое вызывает дрейф носителей заряда, причем направление дрейфа прямо противоположно направлению диффузии. Это означает, что образование встроенного электрического поля предотвращает диффузию носителей заряда, и внутри PN-перехода происходит как диффузия, так и дрейф до тех пор, пока оба вида движения не уравновесятся, так что статический поток носителей заряда станет равным нулю. Внутреннее динамическое равновесие.
Когда PN-переход подвергается воздействию светового излучения, энергия фотона передается носителю заряда, и генерируется фотогенерированный носитель, то есть фотогенерированная электронно-дырочная пара. Под действием электрического поля электрон и дырка дрейфуют соответственно в N-область и P-область, а направленный дрейф фотогенерированных носителей генерирует фототок. Это основной принцип работы фотодетектора на основе PN-перехода.
(3)PIN-фотодетектор
Фотодиод PIN-типа представляет собой материал P-типа и материал N-типа между слоями I, причем слой I обычно является собственным или низколегированным материалом. Механизм его работы аналогичен механизму работы PN-перехода: при воздействии светового излучения фотон передает энергию электрону, генерируя фотогенерированные носители заряда, а внутреннее или внешнее электрическое поле разделяет фотогенерированные электронно-дырочные пары в обедненном слое, и дрейфующие носители заряда образуют ток во внешней цепи. Роль слоя I заключается в расширении ширины обедненного слоя, и слой I полностью становится обедненным слоем при большом напряжении смещения, и генерируемые электронно-дырочные пары быстро разделяются, поэтому скорость отклика фотодетектора на основе PIN-перехода обычно выше, чем у детектора на основе PN-перехода. Носители заряда вне слоя I также собираются обедненным слоем за счет диффузионного движения, образуя диффузионный ток. Толщина слоя I обычно очень мала, и его назначение — повышение скорости отклика детектора.
(4)Фотодетектор APDлавинный фотодиод
Механизмлавинный фотодиодПринцип работы аналогичен принципу работы PN-перехода. Фотодетектор на основе лавинного фотодиода (APD) использует сильно легированный PN-переход, рабочее напряжение, основанное на детектировании с помощью APD, велико, и при добавлении большого обратного напряжения внутри APD происходит столкновительная ионизация и лавинное умножение, что приводит к увеличению фототока детектора. В режиме обратного напряжения в обедненном слое электрическое поле очень сильное, и фотогенерированные носители заряда, генерируемые светом, быстро разделяются и быстро дрейфуют под действием электрического поля. В этом процессе существует вероятность столкновения электронов с кристаллической решеткой, что приводит к ионизации электронов в решетке. Этот процесс повторяется, и ионизированные ионы в решетке также сталкиваются с ней, вызывая увеличение числа носителей заряда в APD и, как следствие, большой ток. Именно этот уникальный физический механизм внутри APD обуславливает высокую скорость отклика, большой коэффициент усиления тока и высокую чувствительность детекторов на основе APD. По сравнению с PN- и PIN-переходами, APD обладает более высокой скоростью отклика, что делает его самым быстрым среди современных фотоэлектрических устройств.
(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 он 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 в результате получается переход Шоттки. Основной механизм несколько похож на механизм PN-перехода. Рассмотрим в качестве примера N-полупроводники: при контакте двух материалов, из-за различной концентрации электронов в обоих материалах, электроны в полупроводнике диффундируют к металлу. Диффундировавшие электроны непрерывно накапливаются на одном конце металла, разрушая тем самым исходную электрическую нейтральность металла, образуя встроенное электрическое поле от полупроводника к металлу на контактной поверхности. Под действием внутреннего электрического поля электроны дрейфуют, и диффузия и дрейф носителей заряда происходят одновременно. Через некоторое время достигается динамическое равновесие, и в конечном итоге образуется переход Шоттки. В условиях освещения барьерная область непосредственно поглощает свет и генерирует электронно-дырочные пары, в то время как фотогенерированные носители внутри PN-перехода должны пройти через диффузионную область, чтобы достичь области перехода. По сравнению с PN-переходом, фотодетектор на основе перехода Шоттки обладает более высокой скоростью отклика, которая может достигать даже наносекундного уровня.
Дата публикации: 13 августа 2024 г.