Type fotodetector-apparaatstructuur

Soort vanfotodetector apparaatstructuur
Fotodetectoris een apparaat dat een optisch signaal omzet in een elektrisch signaal. De structuur en de verscheidenheid ervan kunnen hoofdzakelijk worden onderverdeeld in de volgende categorieën:
(1) Fotogeleidende fotodetector
Wanneer fotogeleidende apparaten worden blootgesteld aan licht, verhoogt de fotogegenereerde ladingsdrager hun geleidbaarheid en verlaagt hun weerstand. De ladingsdragers die bij kamertemperatuur worden geëxciteerd, bewegen in een bepaalde richting onder invloed van een elektrisch veld en genereren zo een stroom. Onder lichtomstandigheden worden elektronen geëxciteerd en vindt er een overgang plaats. Tegelijkertijd drijven ze onder invloed van een elektrisch veld af en vormen een fotostroom. De resulterende fotogegenereerde ladingsdragers verhogen de geleidbaarheid van het apparaat en verlagen zo de weerstand. Fotogeleidende fotodetectoren vertonen doorgaans een hoge versterking en een grote responsiviteit, maar ze kunnen niet reageren op hoogfrequente optische signalen, waardoor de responssnelheid laag is, wat de toepassing van fotogeleidende apparaten in sommige opzichten beperkt.

(2)PN-fotodetector
Een PN-fotodetector wordt gevormd door contact tussen P-type halfgeleidermateriaal en N-type halfgeleidermateriaal. Voordat het contact wordt gevormd, bevinden de twee materialen zich in een afzonderlijke toestand. Het ferminiveau in P-type halfgeleider ligt dicht bij de rand van de valentieband, terwijl het ferminiveau in N-type halfgeleider dicht bij de rand van de geleidingsband ligt. Tegelijkertijd verschuift het ferminiveau van het N-type materiaal aan de rand van de geleidingsband continu naar beneden totdat het ferminiveau van de twee materialen dezelfde positie heeft. De verandering van de positie van de geleidingsband en valentieband gaat ook gepaard met buiging van de band. De PN-overgang is in evenwicht en heeft een uniform ferminiveau. Vanuit het oogpunt van ladingsdrageranalyse zijn de meeste ladingsdragers in P-type materialen gaten, terwijl de meeste ladingsdragers in N-type materialen elektronen zijn. Wanneer de twee materialen met elkaar in contact zijn, zullen de elektronen in N-type materialen, door het verschil in ladingsdragerconcentratie, diffunderen naar P-type materialen, terwijl de elektronen in N-type materialen in de tegenovergestelde richting van de gaten diffunderen. Het ongecompenseerde gebied dat overblijft door de diffusie van elektronen en gaten zal een ingebouwd elektrisch veld vormen, dat de ladingsdragerdrift zal beïnvloeden. De driftrichting is precies tegengesteld aan de diffusierichting. Dit betekent dat de vorming van het ingebouwd elektrische veld de diffusie van ladingsdragers verhindert. Er is zowel diffusie als drift in de PN-overgang totdat de twee soorten beweging in evenwicht zijn, zodat de statische ladingsdragerstroom nul is. Interne dynamische balans.
Wanneer de PN-overgang wordt blootgesteld aan lichtstraling, wordt de energie van het foton overgedragen aan de drager, en wordt de fotogegenereerde drager, oftewel het fotogegenereerde elektron-gatpaar, gegenereerd. Onder invloed van het elektrische veld drijven het elektron en het gat respectievelijk naar het N-gebied en het P-gebied, en de richtingsdrift van de fotogegenereerde drager genereert een fotostroom. Dit is het basisprincipe van de PN-overgangsfotodetector.

(3)PIN-fotodetector
De pinfotodiode bestaat uit een P-type materiaal en een N-type materiaal tussen de I-laag. De I-laag van het materiaal is over het algemeen een intrinsiek of laaggedoteerd materiaal. Het werkingsmechanisme is vergelijkbaar met dat van de PN-overgang. Wanneer de PIN-overgang wordt blootgesteld aan lichtstraling, draagt ​​het foton energie over aan het elektron, waardoor fotogegenereerde ladingsdragers worden gegenereerd. Het interne of externe elektrische veld zal de fotogegenereerde elektron-gatparen in de depletielaag scheiden, en de gedrifte ladingsdragers zullen een stroom vormen in het externe circuit. De rol van laag I is het vergroten van de breedte van de depletielaag. Laag I zal volledig de depletielaag worden onder een hoge biasspanning. De gegenereerde elektron-gatparen zullen snel worden gescheiden, waardoor de responssnelheid van de PIN-overgangsfotodetector over het algemeen sneller is dan die van de PN-overgangsdetector. Ladingsdragers buiten de I-laag worden ook door de depletielaag verzameld door middel van diffusiebeweging, waardoor een diffusiestroom ontstaat. De dikte van de I-laag is doorgaans erg dun. Het doel ervan is om de reactiesnelheid van de detector te verbeteren.

(4)APD-fotodetectorlawine fotodiode
Het mechanisme vanlawine fotodiodeis vergelijkbaar met die van een PN-overgang. Een APD-fotodetector maakt gebruik van een zwaar gedoteerde PN-overgang. De bedrijfsspanning op basis van APD-detectie is hoog. Wanneer een grote spervoorspanning wordt toegevoegd, zullen botsingsionisatie en lawinevermenigvuldiging in de APD optreden, wat de prestaties van de detector verhoogt met een verhoogde fotostroom. Wanneer de APD in de spervoorspanningsmodus staat, zal het elektrische veld in de depletielaag zeer sterk zijn en zullen de door licht gegenereerde fotoladingen snel worden gescheiden en snel afdrijven onder invloed van het elektrische veld. Er is een kans dat elektronen tijdens dit proces tegen het rooster botsen, waardoor de elektronen in het rooster geïoniseerd raken. Dit proces herhaalt zich en de geïoniseerde ionen in het rooster botsen ook met het rooster, waardoor het aantal ladingdragers in de APD toeneemt, wat resulteert in een hoge stroomsterkte. Het is dit unieke fysieke mechanisme binnen de APD dat APD-gebaseerde detectoren over het algemeen de kenmerken hebben van een hoge responssnelheid, een grote stroomversterking en een hoge gevoeligheid. Vergeleken met PN-overgang en PIN-overgang heeft APD een snellere reactiesnelheid. Dit is de snelste reactiesnelheid van alle huidige lichtgevoelige buizen.

(5) Schottky-junctie-fotodetector
De basisstructuur van de Schottky-overgangsfotodetector is een Schottkydiode, waarvan de elektrische eigenschappen vergelijkbaar zijn met die van de hierboven beschreven PN-overgang. De diode heeft een unidirectionele geleidbaarheid met positieve geleiding en sperafsnijding. Wanneer een metaal met een hoge arbeidsfunctie en een halfgeleider met een lage arbeidsfunctie contact maken, ontstaat een Schottky-barrière en is de resulterende overgang een Schottky-overgang. Het hoofdmechanisme is enigszins vergelijkbaar met dat van de PN-overgang, waarbij N-type halfgeleiders als voorbeeld worden genomen. Wanneer twee materialen contact maken, zullen de elektronen in de halfgeleider, vanwege de verschillende elektronenconcentraties van de twee materialen, naar de metaalzijde diffunderen. De gediffundeerde elektronen hopen zich continu op aan één uiteinde van het metaal, waardoor de oorspronkelijke elektrische neutraliteit van het metaal wordt vernietigd. Er ontstaat een ingebouwd elektrisch veld van de halfgeleider naar het metaal op het contactoppervlak. De elektronen zullen onder invloed van het interne elektrische veld afdrijven. De diffusie en driftbeweging van de drager zullen gelijktijdig plaatsvinden, na verloop van tijd, om een ​​dynamisch evenwicht te bereiken en uiteindelijk een Schottky-overgang te vormen. Onder lichtomstandigheden absorbeert het barrièregebied direct licht en genereert elektron-gatparen, terwijl de fotogegenereerde dragers in de PN-overgang het diffusiegebied moeten passeren om de overgang te bereiken. Vergeleken met een PN-overgang heeft de fotodetector op basis van een Schottky-overgang een snellere responssnelheid, die zelfs een ns-niveau kan bereiken.