Vrstafotodetektorski uređajstruktura
Fotodetektorje uređaj koji pretvara optički signal u električni signal, čija se struktura i raznolikost uglavnom mogu podijeliti u sljedeće kategorije:
(1) Fotoprovodni fotodetektor
Kada su fotoprovodni uređaji izloženi svjetlosti, fotogenerirani nosilac povećava svoju provodljivost i smanjuje otpor. Nosioci naboja pobuđeni na sobnoj temperaturi kreću se usmjereno pod djelovanjem električnog polja, generirajući struju. Pod utjecajem svjetlosti, elektroni se pobuđuju i dolazi do prelaza. Istovremeno, oni se pomjeraju pod djelovanjem električnog polja formirajući fotostruju. Rezultirajući fotogenerirani nosioci povećavaju provodljivost uređaja i time smanjuju otpor. Fotoprovodni fotodetektori obično pokazuju veliko pojačanje i odličan odziv, ali ne mogu reagirati na visokofrekventne optičke signale, pa je brzina odziva mala, što u nekim aspektima ograničava primjenu fotoprovodnih uređaja.
(2)PN fotodetektor
PN fotodetektor nastaje kontaktom između poluprovodničkog materijala P-tipa i poluprovodničkog materijala N-tipa. Prije formiranja kontakta, dva materijala su u odvojenom stanju. Fermijev nivo u poluprovodniku P-tipa je blizu ruba valentne zone, dok je Fermijev nivo u poluprovodniku N-tipa blizu ruba provodne zone. Istovremeno, Fermijev nivo materijala N-tipa na rubu provodne zone se kontinuirano pomiče prema dolje sve dok Fermijev nivo dva materijala ne bude u istom položaju. Promjena položaja provodne i valentne zone također je praćena savijanjem zone. PN spoj je u ravnoteži i ima uniformni Fermijev nivo. Sa aspekta analize nosioca naboja, većina nosioca naboja u materijalima P-tipa su šupljine, dok su većina nosioca naboja u materijalima N-tipa elektroni. Kada su dva materijala u kontaktu, zbog razlike u koncentraciji nosioca, elektroni u materijalima N-tipa će difundirati ka P-tipu, dok će elektroni u materijalima N-tipa difundirati u suprotnom smjeru od šupljina. Nekompenzirana površina koju ostavlja difuzija elektrona i šupljina formirat će ugrađeno električno polje, a ugrađeno električno polje će uzrokovati drift nosioca naboja, a smjer drifta je upravo suprotan smjeru difuzije, što znači da formiranje ugrađenog električnog polja sprječava difuziju nosioca, te postoje i difuzija i drift unutar PN spoja sve dok se dvije vrste kretanja ne uravnoteže, tako da statički tok nosioca bude jednak nuli. Unutrašnja dinamička ravnoteža.
Kada je PN spoj izložen svjetlosnom zračenju, energija fotona se prenosi na nosioca, pri čemu se generira fotogenerirani nosilac, odnosno fotogenerirani par elektron-šupljina. Pod djelovanjem električnog polja, elektron i šupljina se pomjeraju u N područje, odnosno P područje, a usmjereno pomicanje fotogeneriranog nosioca generira fotostruju. Ovo je osnovni princip fotodetektora sa PN spojem.
(3)PIN fotodetektor
Pin fotodioda je materijal P-tipa i N-tipa između I sloja, pri čemu je I sloj materijala uglavnom intrinzični ili materijal sa niskim dopiranjem. Njen mehanizam rada je sličan PN spoju. Kada je PIN spoj izložen svjetlosnom zračenju, foton prenosi energiju na elektron, generirajući fotogenerirane nosioce naboja, a unutrašnje električno polje ili vanjsko električno polje će razdvojiti fotogenerirane parove elektron-šupljina u osiromašenom sloju, a driftovani nosioci naboja će formirati struju u vanjskom kolu. Uloga sloja I je da proširi širinu osiromašenog sloja, a sloj I će pod velikim naponom prednapona potpuno postati osiromašeni sloj, a generirani parovi elektron-šupljina će se brzo razdvojiti, tako da je brzina odziva fotodetektora PIN spoja uglavnom veća od brzine odziva detektora PN spoja. Nosioci izvan I sloja također se skupljaju u osiromašenom sloju putem difuzijskog kretanja, formirajući difuzijsku struju. Debljina I sloja je uglavnom vrlo tanka, a njegova svrha je poboljšanje brzine odziva detektora.
(4)APD fotodetektorlavinska fotodioda
Mehanizamlavinska fotodiodaSličan je PN spoju. APD fotodetektor koristi jako dopirani PN spoj, radni napon zasnovan na APD detekciji je velik, a kada se doda velika obrnuta polarizacija, unutar APD-a će doći do kolizijske ionizacije i lavinskog multiplikatora, a performanse detektora će se povećati fotostrujom. Kada je APD u režimu obrnute polarizacije, električno polje u osiromašenom sloju će biti vrlo jako, a fotogenerisani nosioci generisani svjetlošću će se brzo odvojiti i brzo će se pomjeriti pod djelovanjem električnog polja. Postoji vjerovatnoća da će elektroni tokom ovog procesa udariti u rešetku, uzrokujući ionizaciju elektrona u rešetki. Ovaj proces se ponavlja, a ionizovani ioni u rešetki se također sudaraju sa rešetkom, uzrokujući povećanje broja nosioca naboja u APD-u, što rezultira velikom strujom. Upravo taj jedinstveni fizički mehanizam unutar APD-a je razlog zašto detektori bazirani na APD-u uglavnom imaju karakteristike brze brzine odziva, velikog pojačanja struje i visoke osjetljivosti. U poređenju sa PN spojem i PIN spojem, APD ima bržu brzinu odziva, što je najbrža brzina odziva među trenutnim fotosenzitivnim cijevima.
(5) Fotodetektor sa Schottky spojem
Osnovna struktura fotodetektora sa Schottky spojem je Schottky dioda, čije su električne karakteristike slične onima PN spoja opisanog gore, i ima jednosmjernu provodljivost s pozitivnom provodljivošću i obrnutim prekidom. Kada metal s visokom izhodnom funkcijom i poluprovodnik s niskom izhodnom funkcijom formiraju kontakt, formira se Schottky barijera, a rezultirajući spoj je Schottky spoj. Glavni mehanizam je donekle sličan PN spoju, uzimajući poluprovodnike N-tipa kao primjer, kada dva materijala formiraju kontakt, zbog različitih koncentracija elektrona dva materijala, elektroni u poluprovodniku će difundirati prema metalnoj strani. Difuzirani elektroni se kontinuirano akumuliraju na jednom kraju metala, čime se uništava prvobitna električna neutralnost metala, formirajući ugrađeno električno polje od poluprovodnika do metala na kontaktnoj površini, a elektroni će driftovati pod djelovanjem unutrašnjeg električnog polja, a difuzijsko i drift kretanje nosioca će se odvijati istovremeno, nakon određenog vremenskog perioda da bi se dostigla dinamička ravnoteža, i konačno formirao Schottky spoj. Pod svjetlosnim uslovima, barijerna oblast direktno apsorbuje svjetlost i generiše elektron-šupljinske parove, dok fotogenerisani nosioci unutar PN spoja moraju proći kroz difuzionu oblast da bi stigli do oblasti spoja. U poređenju sa PN spojem, fotodetektor zasnovan na Schottky spoju ima bržu brzinu odziva, a brzina odziva može dostići čak i ns nivo.
Vrijeme objave: 13. avg. 2024.