Typfotodetektorové zařízenístruktura
Fotodetektorje zařízení, které převádí optický signál na elektrický signál, jehož struktura a rozmanitost se dá rozdělit do následujících kategorií:
(1) Fotovodivý fotodetektor
Když jsou fotovodivá zařízení vystavena světlu, fotogenerovaný nosič zvyšuje svou vodivost a snižuje svůj odpor. Nosiče náboje excitované při pokojové teplotě se pohybují směrově pod vlivem elektrického pole, čímž generují proud. Za světelných podmínek jsou elektrony excitovány a dochází k přechodu. Zároveň se pod vlivem elektrického pole pohybují a vytvářejí fotoproud. Výsledné fotogenerované nosiče zvyšují vodivost zařízení, a tím snižují odpor. Fotovodivé fotodetektory obvykle vykazují vysoký zisk a skvělou odezvu, ale nemohou reagovat na vysokofrekvenční optické signály, takže rychlost odezvy je pomalá, což v některých ohledech omezuje použití fotovodivých zařízení.
(2)PN fotodetektor
PN fotodetektor vzniká kontaktem mezi polovodičovým materiálem typu P a polovodičovým materiálem typu N. Před vytvořením kontaktu se oba materiály nacházejí v odděleném stavu. Fermiho hladina v polovodiči typu P je blízko okraje valenčního pásu, zatímco Fermiho hladina v polovodiči typu N je blízko okraje vodivostního pásu. Zároveň se Fermiho hladina materiálu typu N na okraji vodivostního pásu plynule posouvá dolů, dokud se Fermiho hladina obou materiálů nedostane do stejné polohy. Změna polohy vodivostního a valenčního pásu je také doprovázena ohybem pásu. PN přechod je v rovnováze a má jednotnou Fermiho hladinu. Z hlediska analýzy nosičů náboje jsou většina nosičů náboje v materiálech typu P díry, zatímco většina nosičů náboje v materiálech typu N jsou elektrony. Když jsou dva materiály v kontaktu, v důsledku rozdílu v koncentraci nosičů elektrony v materiálech typu N difundují k typu P, zatímco elektrony v materiálech typu N difundují v opačném směru než díry. Nekompenzovaná oblast, která vznikne difuzí elektronů a děr, vytvoří vestavěné elektrické pole a toto vestavěné elektrické pole bude mít tendenci k driftu nosičů náboje, přičemž směr driftu bude přesně opačný než směr difuze. To znamená, že vznik vestavěného elektrického pole brání difuzi nosičů náboje a uvnitř PN přechodu dochází k difuzi i driftu, dokud se oba druhy pohybu nevyváží, takže statický tok nosičů náboje je nulový. Vnitřní dynamická rovnováha.
Když je PN přechod vystaven světelnému záření, energie fotonu se přenese na nosič náboje a vznikne fotogenerovaný nosič, tj. fotogenerovaný elektron-dírový pár. Působením elektrického pole se elektron a díra driftují do oblasti N a oblasti P a směrový drift fotogenerovaného nosiče náboje generuje fotoelektrický proud. To je základní princip fotodetektoru s PN přechodem.
(3)PIN fotodetektor
Pinová fotodioda je materiál typu P a typu N, který se nachází mezi vrstvou I. Vrstva I je obecně vnitřní nebo nízkodopující materiál. Její mechanismus fungování je podobný PN přechodu. Když je PIN přechod vystaven světelnému záření, foton přenáší energii na elektron, čímž vznikají fotogenerované nosiče náboje. Vnitřní nebo vnější elektrické pole odděluje fotogenerované elektron-děrové páry v ochuzené vrstvě a driftované nosiče náboje vytvářejí proud ve vnějším obvodu. Úlohou vrstvy I je zvětšit šířku ochuzené vrstvy. Vrstva I se při vysokém předpětí zcela stane ochuzenou vrstvou a generované elektron-děrové páry se rychle oddělí, takže rychlost odezvy fotodetektoru s PIN přechodem je obecně rychlejší než u detektoru s PN přechodem. Nosiče náboje vně vrstvy I jsou také shromažďovány ochuzenou vrstvou difuzním pohybem a vytvářejí difuzní proud. Tloušťka vrstvy I je obecně velmi tenká a jejím účelem je zlepšit rychlost odezvy detektoru.
(4)APD fotodetektorlavinová fotodioda
Mechanismuslavinová fotodiodaje podobný jako u PN přechodu. Fotodetektor APD používá silně dopovaný PN přechod, provozní napětí založené na detekci APD je velké a při přidání velkého zpětného předpětí dochází uvnitř APD ke kolizní ionizaci a lavinovému násobení, což zvyšuje fotoproud detektoru. Když je APD v režimu zpětného předpětí, elektrické pole v ochuzené vrstvě bude velmi silné a fotogenerované nosiče generované světlem se rychle oddělí a rychle driftují působením elektrického pole. Existuje pravděpodobnost, že během tohoto procesu elektrony narazí do mřížky, což způsobí ionizaci elektronů v mřížce. Tento proces se opakuje a ionizované ionty v mřížce se také srazí s mřížkou, což způsobí zvýšení počtu nosičů náboje v APD, což má za následek velký proud. Právě tento jedinečný fyzikální mechanismus uvnitř APD umožňuje detektorům založeným na APD obecně vyznačovat se rychlou rychlostí odezvy, velkým ziskem proudu a vysokou citlivostí. Ve srovnání s PN a PIN přechody má APD rychlejší rychlost odezvy, což je nejrychlejší rychlost odezvy mezi současnými fotocitlivými trubicemi.
(5) Schottkyho přechodový fotodetektor
Základní strukturou Schottkyho fotodetektoru je Schottkyho dioda, jejíž elektrické vlastnosti jsou podobné vlastnostem výše popsaného PN přechodu a má jednosměrnou vodivost s kladnou vodivostí a reverzním omezením. Když kov s vysokou výstupní prací a polovodič s nízkou výstupní prací vytvoří kontakt, vytvoří se Schottkyho bariéra a výsledný spoj je Schottkyho přechod. Hlavní mechanismus je do jisté míry podobný PN přechodu, například u polovodičů typu N. Když se dva materiály dotýkají, v důsledku rozdílné koncentrace elektronů v obou materiálech elektrony v polovodiči difundují ke straně kovu. Difundované elektrony se kontinuálně hromadí na jednom konci kovu, čímž narušují původní elektrickou neutralitu kovu a vytvářejí vestavěné elektrické pole z polovodiče do kovu na kontaktním povrchu. Elektrony se driftují působením vnitřního elektrického pole a difuzní a driftový pohyb nosičů náboje probíhá současně. Po určité době dosáhnou dynamické rovnováhy a nakonec vytvoří Schottkyho přechod. Za světelných podmínek bariérová oblast přímo absorbuje světlo a generuje elektron-dírové páry, zatímco fotogenerované nosiče náboje uvnitř PN přechodu musí projít difuzní oblastí, aby dosáhly oblasti přechodu. Ve srovnání s PN přechodem má fotodetektor založený na Schottkyho přechodu rychlejší rychlost odezvy, která může dosáhnout až nanosekundové úrovně.
Čas zveřejnění: 13. srpna 2024