Vrstafotodetektorska napravastruktura
Fotodetektorje naprava, ki pretvarja optični signal v električni signal, njeno strukturo in raznolikost pa lahko v glavnem razdelimo v naslednje kategorije:
(1) Fotoprevodni fotodetektor
Ko so fotoprevodne naprave izpostavljene svetlobi, fotogenerirani nosilec poveča svojo prevodnost in zmanjša svojo upornost. Nosilci, vzbujeni pri sobni temperaturi, se pod vplivom električnega polja gibljejo usmerjeno in tako ustvarjajo tok. Pod vplivom svetlobe se elektroni vzbudijo in pride do prehoda. Hkrati se pod vplivom električnega polja premikajo in tvorijo fototok. Nastali fotogenerirani nosilci povečajo prevodnost naprave in s tem zmanjšajo upornost. Fotoprevodni fotodetektorji običajno kažejo visoko ojačanje in veliko odzivnost, vendar se ne morejo odzvati na visokofrekvenčne optične signale, zato je odzivna hitrost počasna, kar v nekaterih pogledih omejuje uporabo fotoprevodnih naprav.
(2)PN-fotodetektor
PN fotodetektor nastane s stikom med polprevodniškim materialom tipa P in polprevodniškim materialom tipa N. Preden se stik tvori, sta materiala v ločenem stanju. Fermijev nivo v polprevodniku tipa P je blizu roba valentnega pasu, medtem ko je Fermijev nivo v polprevodniku tipa N blizu roba prevodnega pasu. Hkrati se Fermijev nivo materiala tipa N na robu prevodnega pasu nenehno premika navzdol, dokler Fermijev nivo obeh materialov ni v istem položaju. Spremembo položaja prevodnega in valentnega pasu spremlja tudi upogibanje pasu. PN spoj je v ravnovesju in ima enakomeren Fermijev nivo. Z vidika analize nosilcev naboja je večina nosilcev naboja v materialih tipa P vrzeli, medtem ko je večina nosilcev naboja v materialih tipa N elektronov. Ko sta materiala v stiku, bodo elektroni v materialih tipa N zaradi razlike v koncentraciji nosilcev difundirali v tip P, medtem ko bodo elektroni v materialih tipa N difundirali v nasprotni smeri od vrzeli. Nekompenzirano območje, ki ga pusti difuzija elektronov in vrzeli, bo tvorilo vgrajeno električno polje, ki bo povzročilo drift nosilcev naboja, smer drifta pa bo ravno nasprotna smeri difuzije. To pomeni, da nastanek vgrajenega električnega polja preprečuje difuzijo nosilcev naboja in znotraj PN-stika pride do difuzije in drifta, dokler se obe vrsti gibanja ne uravnovesita, tako da je statični tok nosilcev enak nič. Notranje dinamično ravnovesje.
Ko je PN-stični spoj izpostavljen svetlobnemu sevanju, se energija fotona prenese na nosilec in nastane fotogenerirani nosilec, torej fotogenerirani par elektron-vrzel. Pod delovanjem električnega polja se elektron in vrzel premakneta v območje N oziroma območje P, smerni premik fotogeneriranega nosilca pa ustvari fototok. To je osnovno načelo fotodetektorja s PN-stičnikom.
(3)PIN-fotodetektor
Pin fotodioda je material tipa P in tipa N, ki se nahaja med plastjo I. Plast I je običajno intrinzični ali nizko dopirajoči material. Njen mehanizem delovanja je podoben PN spoju. Ko je PIN spoj izpostavljen svetlobnemu sevanju, foton prenese energijo na elektron, kar ustvari fotogenerirane nosilce naboja. Notranje ali zunanje električno polje loči fotogenerirane pare elektronov in vrzeli v osiromašeni plasti, tako da odnašani nosilci naboja tvorijo tok v zunanjem vezju. Vloga plasti I je razširitev širine osiromašene plasti. Pod veliko prednapetostjo plast I popolnoma postane osiromašena plast, ustvarjeni pari elektronov in vrzeli pa se hitro ločijo, zato je odzivna hitrost fotodetektorja s PIN spojem običajno hitrejša kot pri detektorju s PN spojem. Nosilce zunaj plasti I z difuzijskim gibanjem zbira tudi osiromašena plast, kar tvori difuzijski tok. Debelina plasti I je običajno zelo tanka, njen namen pa je izboljšati odzivno hitrost detektorja.
(4)APD fotodetektorplazovni fotodiod
Mehanizemplazovni fotodiodje podoben PN spoju. Fotodetektor APD uporablja močno dopiran PN spoj, delovna napetost, ki temelji na zaznavanju APD, je velika, in ko se doda velika povratna prednapetost, se v APD pojavi trčna ionizacija in plazovito množenje, delovanje detektorja pa se poveča s fototokom. Ko je APD v načinu povratne prednapetosti, je električno polje v osiromašeni plasti zelo močno in fotogenerirani nosilci, ki jih ustvarja svetloba, se hitro ločijo in hitro zanesejo pod delovanjem električnega polja. Obstaja verjetnost, da bodo elektroni med tem postopkom trčili v mrežo, kar bo povzročilo ionizacijo elektronov v mreži. Ta postopek se ponovi 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 fizikalnega mehanizma znotraj APD imajo detektorji na osnovi APD običajno značilnosti hitre odzivne hitrosti, velikega ojačanja toka in visoke občutljivosti. V primerjavi s PN in PIN spojem ima APD hitrejšo odzivno hitrost, ki je najhitrejša odzivna hitrost med trenutnimi fotoobčutljivimi cevmi.
(5) Fotodetektor s Schottkyjevim spojem
Osnovna struktura fotodetektorja s Schottkyjevim spojem je Schottkyjeva dioda, katere električne lastnosti so podobne lastnostim zgoraj opisanega PN spoja in ima enosmerno prevodnost s pozitivno prevodnostjo in obratno mejo. Ko kovina z visoko delovno funkcijo in polprevodnik z nizko delovno funkcijo tvorita stik, se tvori Schottkyjeva pregrada in nastali stik je Schottkyjev spoj. Glavni mehanizem je nekoliko podoben PN spoju, če za primer vzamemo polprevodnike tipa N. Ko dva materiala tvorita stik, zaradi različnih koncentracij elektronov v obeh materialih elektroni v polprevodniku difundirajo na kovinsko stran. Difuzirani elektroni se neprekinjeno kopičijo na enem koncu kovine, s čimer uničijo prvotno električno nevtralnost kovine in na kontaktni površini tvorijo vgrajeno električno polje od polprevodnika do kovine, elektroni pa se pod delovanjem notranjega električnega polja premikajo, difuzijsko in driftno gibanje nosilcev pa se izvaja hkrati, po določenem času pa dosežejo dinamično ravnovesje in končno tvorijo Schottkyjev spoj. V svetlobnih pogojih pregradno območje neposredno absorbira svetlobo in ustvarja pare elektronov in vrzeli, medtem ko morajo fotogenerirani nosilci znotraj PN-stika preiti skozi difuzijsko območje, da dosežejo območje stika. V primerjavi s PN-stik ima fotodetektor, ki temelji na Schottkyjevem stiku, hitrejšo odzivno hitrost, ki lahko doseže celo ns raven.
Čas objave: 13. avg. 2024