Typ struktury fotodetekčního zařízení

Typfotodetekční zařízenístruktura
Fotodetektorje zařízení, které převádí optický signál na elektrický signál, jeho struktura a rozmanitost lze rozdělit především do těchto kategorií: ‌
(1) Fotovodivý fotodetektor
Když jsou fotovodivá zařízení vystavena světlu, fotogenerovaný nosič zvyšuje jejich vodivost a snižuje jejich odpor. Nosiče excitované při pokojové teplotě se pohybují směrově pod působením elektrického pole, a tak generují proud. Za podmínek světla jsou elektrony excitovány a dochází k přechodu. Současně se pohybují působením elektrického pole za vzniku fotoproudu. Výsledné fotogenerované nosiče zvyšují vodivost zařízení a tím snižují odpor. Fotovodivé fotodetektory obvykle vykazují vysoký zisk a velkou odezvu ve výkonu, ale nemohou reagovat na vysokofrekvenční optické signály, takže rychlost odezvy je pomalá, což v některých aspektech omezuje použití fotovodivých zařízení.

(2)PN fotodetektor
Fotodetektor PN je tvořen kontaktem mezi polovodičovým materiálem typu P a polovodičovým materiálem typu N. Před vytvořením kontaktu jsou oba materiály v odděleném stavu. Fermiho hladina v polovodiči typu P je blízko okraje valenčního pásma, zatímco hladina Fermiho v polovodiči typu N je blízko okraje vodivostního pásma. Současně se Fermiho hladina materiálu typu N na okraji vodivostního pásu plynule posouvá dolů, dokud není Fermiho hladina obou materiálů ve stejné poloze. 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 většina nosičů náboje v materiálech typu P jsou díry, zatímco většina nosičů náboje v materiálech typu N jsou elektrony. Když jsou tyto dva materiály v kontaktu, v důsledku rozdílu v koncentraci nosiče budou elektrony v materiálech typu N difundovat do typu P, zatímco elektrony v materiálech typu N budou difundovat v opačném směru k otvorům. Nekompenzovaná oblast zanechaná difúzí elektronů a děr vytvoří vestavěné elektrické pole a vestavěné elektrické pole bude mít tendenci driftu nosiče a směr driftu je přesně opačný než směr difúze, což znamená, že tvorba vestavěného elektrického pole zabraňuje difúzi nosičů a uvnitř PN přechodu dochází k difúzi i driftu, dokud se oba druhy pohybu nevyrovnají, takže statický tok nosiče je nulový. Vnitřní dynamická rovnováha.
Když je PN přechod vystaven světelnému záření, energie fotonu se přenese na nosič a vytvoří se fotogenerovaný nosič, tedy fotogenerovaný pár elektron-díra. Působením elektrického pole se elektron a díra posunují do oblasti N a oblasti P a směrový drift fotogenerovaného nosiče generuje fotoproud. Toto je základní princip fotodetektoru přechodu PN.

(3)PIN fotodetektor
Kolíková fotodioda je materiál typu P a materiál typu N mezi I vrstvou, vrstva I materiálu je obecně vlastní materiál nebo materiál s nízkým dopováním. Jeho pracovní mechanismus je podobný jako u PN přechodu, kdy je PIN přechod vystaven světelnému záření, foton předá elektronu energii a generuje fotogenerované nosiče náboje a vnitřní elektrické pole nebo vnější elektrické pole oddělí fotogenerovanou elektronovou díru. páry ve vrstvě vyčerpání a unášené nosiče náboje vytvoří proud ve vnějším obvodu. Role, kterou hraje vrstva I, je rozšířit šířku ochuzovací vrstvy a vrstva I se pod velkým předpětím zcela stane ochlazovací vrstvou a generované páry elektron-díra se rychle oddělí, takže rychlost odezvy Fotodetektor PIN přechodu je obecně rychlejší než detektor PN přechodu. Nosiče mimo I vrstvu jsou také shromažďovány ochuzenou vrstvou prostřednictvím difúzního pohybu, tvořícího difúzní proud. Tloušťka I vrstvy 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 využívá silně dopovaný PN přechod, provozní napětí založené na detekci APD je velké a když se přidá velké zpětné předpětí, dojde uvnitř APD k ionizaci kolize a lavinové zmnožení a výkon detektoru se zvýší fotoproud. Když je APD v režimu zpětného zkreslení, elektrické pole ve vrstvě vyčerpání bude velmi silné a fotogenerované nosiče generované světlem se rychle oddělí a rychle se budou unášet působením elektrického pole. Existuje pravděpodobnost, že elektrony během tohoto procesu narazí do mřížky, což způsobí ionizaci elektronů v mřížce. Tento proces se opakuje a ionizované ionty v mřížce se také srážejí s mřížkou, což způsobuje zvýšení počtu nosičů náboje v APD, což má za následek velký proud. Právě tento jedinečný fyzikální mechanismus uvnitř APD je, že detektory založené na APD mají obecně vlastnosti rychlé odezvy, velkého zesílení proudové hodnoty a vysoké citlivosti. Ve srovnání s PN přechodem a PIN přechodem má APD vyšší rychlost odezvy, což je nejvyšší rychlost odezvy mezi současnými fotocitlivými trubicemi.

(5) Fotodetektor Schottkyho přechodu
Základní strukturou fotodetektoru Schottkyho přechodu je Schottkyho dioda, jejíž elektrické charakteristiky jsou podobné jako u výše popsaného přechodu PN a má jednosměrnou vodivost s kladným vedením a reverzním omezením. Když kov s vysokou pracovní funkcí a polovodič s nízkou pracovní funkcí vytvoří kontakt, vytvoří se Schottkyho bariéra a výsledný přechod je Schottkyho přechod. Hlavní mechanismus je poněkud podobný přechodu PN, přičemž jako příklad si vezmeme polovodiče typu N, když se dva materiály dostanou do kontaktu, v důsledku rozdílných koncentrací elektronů obou materiálů budou elektrony v polovodiči difundovat na kovovou stranu. Rozptýlené elektrony se nepřetržitě hromadí na jednom konci kovu, čímž narušují původní elektrickou neutralitu kovu, vytvářejí vestavěné elektrické pole z polovodiče do kovu na kontaktním povrchu a elektrony se působením vnitřní elektrické pole a difúzní a driftový pohyb nosiče bude probíhat současně, po určité době k dosažení dynamické rovnováhy a nakonec k vytvoření Schottkyho spoje. Za světelných podmínek oblast bariéry přímo absorbuje světlo a generuje páry elektron-díra, zatímco fotogenerované nosiče uvnitř PN přechodu musí projít difúzní oblastí, aby dosáhly oblasti přechodu. Ve srovnání s PN přechodem má fotodetektor založený na Schottkyho přechodu vyšší rychlost odezvy a rychlost odezvy může dosáhnout až úrovně ns.