Vrstafotodetektorska napravastruktura
Fotodetektorje naprava, ki pretvarja optični signal v električni signal, njeno strukturo in raznolikost, lahko v glavnem razdelimo v naslednje kategorije:
(1) Fotoprevodni fotodetektor
Ko so fotoprevodne naprave izpostavljene svetlobi, fotogenerirani nosilec poveča njihovo prevodnost in zmanjša njihov upor. Nosilci, vzbujeni pri sobni temperaturi, se premikajo usmerjeno pod delovanjem električnega polja in tako ustvarjajo tok. V pogojih svetlobe se elektroni vzbujajo in pride do prehoda. Hkrati se pod vplivom električnega polja premikajo in tvorijo fototok. Nastali fotogenerirani nosilci povečajo prevodnost naprave in s tem zmanjšajo upor. Fotoprevodni fotodetektorji običajno kažejo visoko ojačenje in veliko odzivnost pri delovanju, vendar se ne morejo odzivati na visokofrekvenčne optične signale, zato je hitrost odziva počasna, kar v nekaterih vidikih omejuje uporabo fotoprevodnih naprav.
(2)PN fotodetektor
PN fotodetektor nastane s stikom med polprevodniškim materialom tipa P in polprevodniškim materialom tipa N. Preden se vzpostavi stik, sta dva materiala v ločenem stanju. Fermijev nivo v polprevodniku tipa P je blizu roba valenčnega pasu, medtem ko je Fermijev nivo v polprevodniku tipa N blizu roba prevodnega pasu. Istočasno se Fermijev nivo materiala N-tipa na robu prevodnega pasu nenehno premika navzdol, dokler Fermijev nivo obeh materialov ni v istem položaju. Spremembo položaja prevodnega in valenčnega pasu spremlja tudi upogibanje pasu. PN spoj je v ravnovesju in ima enoten Fermijev nivo. Z vidika analize nosilcev naboja je večina nosilcev naboja v materialih P-tipa lukenj, medtem ko je večina nosilcev naboja v materialih N-tipa elektronov. Ko sta oba materiala v stiku, bodo zaradi razlike v koncentraciji nosilca elektroni v materialih N-tipa difundirali v P-tip, medtem ko bodo elektroni v materialih N-tipa difundirali v nasprotni smeri od lukenj. Nekompenzirano območje, ki ga pusti difuzija elektronov in lukenj, bo tvorilo vgrajeno električno polje, vgrajeno električno polje pa bo trend odnašanja nosilca, smer odnašanja pa je ravno nasprotna smeri difuzije, kar pomeni, da tvorba vgrajenega električnega polja preprečuje difuzijo nosilcev, znotraj PN spoja pa prihaja do difuzije in odnašanja, dokler se obe vrsti gibanja ne uravnovesita, tako da je statični tok nosilcev enak nič. Notranje dinamično ravnovesje.
Ko je PN spoj izpostavljen svetlobnemu sevanju, se energija fotona prenese na nosilec in nastane fotogenerirani nosilec, to je fotogenerirani par elektron-luknja. Pod delovanjem električnega polja se elektron in luknja premakneta v območje N oziroma območje P, smerni odmik fotogeneriranega nosilca pa ustvari fototok. To je osnovni princip fotodetektorja PN spoja.
(3)PIN fotodetektor
Pin fotodioda je material tipa P in material tipa N med plastjo I, plast materiala I je na splošno intrinzični material ali material z nizkim dopingom. Njegov delovni mehanizem je podoben PN spoju, ko je PIN spoj izpostavljen svetlobnemu sevanju, foton prenese energijo na elektron, pri čemer generira fotogenerirane nosilce naboja, notranje ali zunanje električno polje pa bo ločilo fotogenerirano elektronsko luknjo. parov v izčrpanem sloju in odneseni nosilci naboja bodo tvorili tok v zunanjem vezju. Vloga, ki jo igra plast I, je razširiti širino osiromašene plasti in plast I bo v celoti postala osiromašena plast pod veliko prednapetostjo, ustvarjeni pari elektron-luknja pa bodo hitro ločeni, tako da bo hitrost odziva Fotodetektor na spoju PIN je na splošno hitrejši od detektorja na spoju PN. Izčrpana plast z difuzijskim gibanjem zbira tudi nosilce zunaj plasti I, ki tvorijo difuzijski tok. Debelina plasti I je na splošno zelo tanka, njen namen pa je izboljšati hitrost odziva detektorja.
(4)APD fotodetektorlavinska fotodioda
Mehanizem zalavinska fotodiodaje podoben spoju PN. Fotodetektor APD uporablja močno dopiran spoj PN, delovna napetost, ki temelji na zaznavanju APD, je velika in ko se doda velika povratna prednapetost, se bo znotraj APD zgodila trčna ionizacija in lavinsko razmnoževanje, zmogljivost detektorja pa je povečana fototok. Ko je APD v načinu obratne prednapetosti, bo električno polje v osiromašeni plasti zelo močno in fotogenerirani nosilci, ki jih ustvari svetloba, se bodo hitro ločili in hitro odnesli pod delovanjem električnega polja. Obstaja verjetnost, da bodo med tem procesom elektroni trčili v mrežo, kar bo povzročilo ionizacijo elektronov v mreži. Ta proces se ponavlja in ionizirani ioni v mreži prav tako trčijo v mrežo, kar povzroči povečanje števila nosilcev naboja v APD, kar ima za posledico velik tok. Zaradi tega edinstvenega fizičnega mehanizma znotraj APD imajo detektorji na osnovi APD na splošno značilnosti hitre odzivne hitrosti, velikega povečanja vrednosti toka in visoke občutljivosti. V primerjavi s spojišči PN in PIN ima APD večjo odzivno hitrost, kar je najhitrejša odzivna hitrost med trenutnimi fotoobčutljivimi cevmi.
(5) Fotodetektor Schottkyjevega spoja
Osnovna struktura fotodetektorja Schottkyjevega spoja je Schottkyjeva dioda, katere električne lastnosti so podobne tistim zgoraj opisanega PN spoja in ima enosmerno prevodnost s pozitivnim prevodom in obratno mejo. Ko kovina z visoko delovno funkcijo in polprevodnik z nizko delovno funkcijo tvorita stik, nastane Schottkyjeva pregrada in nastali spoj je Schottkyjev spoj. Glavni mehanizem je nekoliko podoben PN spoju, če za primer vzamemo polprevodnike tipa N, ko dva materiala tvorita stik, bodo zaradi različnih koncentracij elektronov v obeh materialih elektroni v polprevodniku difundirali na kovinsko stran. Razpršeni elektroni se nenehno kopičijo na enem koncu kovine in tako uničijo prvotno električno nevtralnost kovine, tvorijo vgrajeno električno polje od polprevodnika do kovine na kontaktni površini, elektroni pa se bodo pod vplivom notranje električno polje, difuzija in premikanje nosilca pa se bosta izvajala sočasno, po določenem času, da se doseže dinamično ravnovesje, in končno tvorita Schottkyjev spoj. V svetlobnih pogojih pregradno območje neposredno absorbira svetlobo in ustvarja pare elektron-luknja, medtem ko morajo fotogenerirani nosilci znotraj PN spoja preiti skozi difuzijsko območje, da dosežejo območje spoja. V primerjavi s PN spojem ima fotodetektor, ki temelji na Schottkyjevem spoju, večjo odzivno hitrost, odzivna hitrost pa lahko doseže celo raven ns.
Čas objave: 13. avgusta 2024