Tipo dedispositivo fotodetectorestrutura
Fotodetectoré un dispositivo que converte o sinal óptico en sinal eléctrico, a súa estrutura e variedade pódense dividir principalmente nas seguintes categorías:
(1) Fotodetector fotocondutor
Cando os dispositivos fotocondutores se expoñen á luz, o portador fotoxerado aumenta a súa condutividade e diminúe a súa resistencia. Os portadores excitados a temperatura ambiente móvense de maneira direccional baixo a acción dun campo eléctrico, xerando así unha corrente. En condicións de luz, os electróns excítanse e prodúcese unha transición. Ao mesmo tempo, desprázanse baixo a acción dun campo eléctrico para formar unha fotocorrente. Os portadores fotoxerados resultantes aumentan a condutividade do dispositivo e, polo tanto, reducen a resistencia. Os fotodetectores fotocondutores adoitan mostrar unha alta ganancia e unha gran capacidade de resposta no rendemento, pero non poden responder a sinais ópticos de alta frecuencia, polo que a velocidade de resposta é lenta, o que limita a aplicación de dispositivos fotocondutores nalgúns aspectos.
(2)Fotodetector PN
O fotodetector PN fórmase polo contacto entre un material semicondutor de tipo P e un material semicondutor de tipo N. Antes de que se forme o contacto, os dous materiais atópanse nun estado separado. O nivel de Fermi no semicondutor de tipo P está preto do bordo da banda de valencia, mentres que o nivel de Fermi no semicondutor de tipo N está preto do bordo da banda de condución. Ao mesmo tempo, o nivel de Fermi do material de tipo N no bordo da banda de condución desprázase continuamente cara abaixo ata que o nivel de Fermi dos dous materiais estea na mesma posición. O cambio de posición da banda de condución e a banda de valencia tamén vai acompañado da flexión da banda. A unión PN está en equilibrio e ten un nivel de Fermi uniforme. Desde o punto de vista da análise de portadores de carga, a maioría dos portadores de carga nos materiais de tipo P son buratos, mentres que a maioría dos portadores de carga nos materiais de tipo N son electróns. Cando os dous materiais están en contacto, debido á diferenza na concentración de portadores, os electróns nos materiais de tipo N difundiránse ao tipo P, mentres que os electróns nos materiais de tipo N difundiránse na dirección oposta aos buratos. A área non compensada deixada pola difusión de electróns e buratos formará un campo eléctrico incorporado, e o campo eléctrico incorporado tenderá á deriva do portador, e a dirección da deriva é xusto oposta á dirección de difusión, o que significa que a formación do campo eléctrico incorporado impide a difusión dos portadores, e hai tanto difusión como deriva dentro da unión PN ata que os dous tipos de movemento estean equilibrados, de xeito que o fluxo de portadores estáticos sexa cero. Equilibrio dinámico interno.
Cando a unión PN se expón á radiación luminosa, a enerxía do fotón transfírese ao portador e xérase o portador fotoxerado, é dicir, o par electrón-burato fotoxerado. Baixo a acción do campo eléctrico, o electrón e o burato desprázanse cara á rexión N e á rexión P respectivamente, e a desviación direccional do portador fotoxerado xera fotocorrente. Este é o principio básico do fotodetector de unión PN.
(3)fotodetector PIN
O fotodíodo PIN é un material de tipo P e un material de tipo N entre a capa I. A capa I do material é xeralmente un material intrínseco ou de baixo dopaxe. O seu mecanismo de funcionamento é similar ao da unión PN. Cando a unión PIN se expón á radiación luminosa, o fotón transfire enerxía ao electrón, xerando portadores de carga fotoxerados, e o campo eléctrico interno ou o campo eléctrico externo separará os pares electrón-burato fotoxerados na capa de esgotamento, e os portadores de carga derivados formarán unha corrente no circuíto externo. O papel que desempeña a capa I é expandir o ancho da capa de esgotamento, e a capa I converterase completamente na capa de esgotamento baixo unha gran tensión de polarización, e os pares electrón-burato xerados separaranse rapidamente, polo que a velocidade de resposta do fotodetector da unión PIN é xeralmente máis rápida que a do detector da unión PN. Os portadores fóra da capa I tamén son recollidos pola capa de esgotamento a través do movemento de difusión, formando unha corrente de difusión. O grosor da capa I é xeralmente moi fino e o seu propósito é mellorar a velocidade de resposta do detector.
(4)Fotodetector APDfotodiodo de avalancha
O mecanismo defotodiodo de avalanchaé similar ao da unión PN. O fotodetector APD usa unha unión PN fortemente dopada, a tensión de funcionamento baseada na detección APD é grande, e cando se engade unha gran polarización inversa, ocorrerá ionización por colisión e multiplicación de avalanchas dentro do APD, e o rendemento do detector aumenta a fotocorrente. Cando o APD está no modo de polarización inversa, o campo eléctrico na capa de esgotamento será moi forte, e os portadores fotoxerados xerados pola luz separaranse rapidamente e derivarán rapidamente baixo a acción do campo eléctrico. Existe a probabilidade de que os electróns choquen contra a rede durante este proceso, facendo que os electróns da rede se ionicen. Este proceso repítese e os ións ionizados da rede tamén choquen coa rede, facendo que o número de portadores de carga no APD aumente, resultando nunha gran corrente. É este mecanismo físico único dentro do APD que os detectores baseados en APD xeralmente teñen as características de velocidade de resposta rápida, gran ganancia de valor de corrente e alta sensibilidade. En comparación coa unión PN e a unión PIN, o APD ten unha velocidade de resposta máis rápida, que é a velocidade de resposta máis rápida entre os tubos fotosensibles actuais.
(5) Fotodetector de unión Schottky
A estrutura básica do fotodetector de unión Schottky é un díodo Schottky, cuxas características eléctricas son similares ás da unión PN descrita anteriormente, e ten condutividade unidireccional con condución positiva e corte inverso. Cando un metal cunha función de traballo alta e un semicondutor cunha función de traballo baixa forman contacto, fórmase unha barreira Schottky, e a unión resultante é unha unión Schottky. O mecanismo principal é algo similar ao da unión PN, tomando como exemplo os semicondutores de tipo N, cando dous materiais forman contacto, debido ás diferentes concentracións de electróns dos dous materiais, os electróns no semicondutor difundiránse cara ao lado do metal. Os electróns difundidos acumúlanse continuamente nun extremo do metal, destruíndo así a neutralidade eléctrica orixinal do metal, formando un campo eléctrico incorporado desde o semicondutor ata o metal na superficie de contacto, e os electróns derivarán baixo a acción do campo eléctrico interno, e o movemento de difusión e deriva do portador realizarase simultaneamente, despois dun período de tempo para alcanzar o equilibrio dinámico, e finalmente formará unha unión Schottky. En condicións de luz, a rexión de barreira absorbe directamente a luz e xera pares electrón-burato, mentres que os portadores fotoxerados dentro da unión PN deben pasar a través da rexión de difusión para chegar á rexión de unión. En comparación coa unión PN, o fotodetector baseado na unión Schottky ten unha velocidade de resposta máis rápida e a velocidade de resposta pode incluso alcanzar o nivel de ns.
Data de publicación: 13 de agosto de 2024