Soort vanfotodetector apparaatstructuur
Fotodetectoris een apparaat dat een optisch signaal omzet in een elektrisch signaal. De structuur en variëteit ervan kan hoofdzakelijk worden onderverdeeld in de volgende categorieën:
(1) Fotogeleidende fotodetector
Wanneer fotogeleidende apparaten worden blootgesteld aan licht, verhoogt de fotogegenereerde drager hun geleidbaarheid en verlaagt hun weerstand. De bij kamertemperatuur opgewonden dragers bewegen onder invloed van een elektrisch veld in een bepaalde richting en genereren zo een stroom. Onder de conditie van licht worden elektronen geëxciteerd en vindt er een transitie plaats. Tegelijkertijd drijven ze onder invloed van een elektrisch veld en vormen ze een fotostroom. De resulterende fotogegenereerde dragers verhogen de geleidbaarheid van het apparaat en verminderen zo de weerstand. Fotogeleidende fotodetectoren vertonen doorgaans een hoge versterking en een grote responsiviteit in prestaties, maar ze kunnen niet reageren op hoogfrequente optische signalen, dus de responssnelheid is laag, wat de toepassing van fotogeleidende apparaten in sommige aspecten beperkt.
(2)PN-fotodetector
PN-fotodetector wordt gevormd door het contact tussen halfgeleidermateriaal van het P-type en halfgeleidermateriaal van het N-type. Voordat het contact wordt gevormd, bevinden de twee materialen zich in een afzonderlijke toestand. Het Fermi-niveau in halfgeleiders van het P-type ligt dicht bij de rand van de valentieband, terwijl het Fermi-niveau in halfgeleiders van het N-type dicht bij de rand van de geleidingsband ligt. Tegelijkertijd wordt het Fermi-niveau van het N-type materiaal aan de rand van de geleidingsband continu naar beneden verschoven totdat het Fermi-niveau van de twee materialen zich in dezelfde positie bevindt. De verandering van de positie van de geleidingsband en de valentieband gaat ook gepaard met het buigen van de band. De PN-overgang is in evenwicht en heeft een uniform Fermi-niveau. Vanuit het oogpunt van ladingsdrageranalyse zijn de meeste ladingsdragers in materialen van het P-type gaten, terwijl de meeste ladingsdragers in materialen van het N-type elektronen zijn. Wanneer de twee materialen in contact zijn, zullen de elektronen in materialen van het N-type, als gevolg van het verschil in dragerconcentratie, naar het P-type diffunderen, terwijl de elektronen in materialen van het N-type in de tegenovergestelde richting van de gaten zullen diffunderen. Het niet-gecompenseerde gebied dat overblijft door de diffusie van elektronen en gaten zal een ingebouwd elektrisch veld vormen, en het ingebouwde elektrische veld zal een trendmatige drift van de drager vertonen, en de richting van de drift is precies tegengesteld aan de diffusierichting, wat betekent dat de vorming van het ingebouwde elektrische veld verhindert de diffusie van dragers, en er zijn zowel diffusie als drift binnen de PN-overgang totdat de twee soorten bewegingen in evenwicht zijn, zodat de statische dragerstroom nul is. Intern dynamisch evenwicht.
Wanneer de PN-overgang wordt blootgesteld aan lichtstraling, wordt de energie van het foton overgedragen naar de drager, en wordt de foto-gegenereerde drager, dat wil zeggen het foto-gegenereerde 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 foto-gegenereerde drager genereert fotostroom. Dit is het basisprincipe van de PN-junctie-fotodetector.
(3)PIN-fotodetector
Pin-fotodiode is een materiaal van het P-type en een materiaal van het N-type tussen de I-laag, de I-laag van het materiaal is over het algemeen een intrinsiek of laag-dopend materiaal. Het werkingsmechanisme is vergelijkbaar met de PN-overgang: wanneer de PIN-overgang wordt blootgesteld aan lichtstraling, draagt het foton energie over aan het elektron, waardoor foto-gegenereerde ladingsdragers worden gegenereerd, en het interne elektrische veld of het externe elektrische veld zal het foto-gegenereerde elektronengat scheiden. paren in de uitputtingslaag, en de afgedreven ladingsdragers zullen een stroom vormen in het externe circuit. De rol die laag I speelt is het vergroten van de breedte van de depletielaag, en laag I zal volledig de depletielaag worden onder een grote voorspanning, en de gegenereerde elektron-gatparen zullen snel worden gescheiden, zodat de responssnelheid van de laag I volledig zal worden. PIN-overgangsfotodetector is over het algemeen sneller dan die van de PN-overgangsdetector. Dragers 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 over het algemeen erg dun en heeft tot doel de responssnelheid van de detector te verbeteren.
(4)APD-fotodetectorlawine fotodiode
Het mechanisme vanlawine fotodiodeis vergelijkbaar met die van PN-overgang. APD-fotodetector maakt gebruik van zwaar gedoteerde PN-overgangen, de bedrijfsspanning op basis van APD-detectie is groot, en wanneer een grote tegengestelde bias wordt toegevoegd, zullen botsingionisatie en lawinevermenigvuldiging optreden binnen APD, en de prestaties van de detector zijn verhoogde fotostroom. Wanneer APD zich in de omgekeerde voorspanningsmodus bevindt, zal het elektrische veld in de depletielaag erg sterk zijn en zullen de door licht gegenereerde foto-gegenereerde dragers snel worden gescheiden en snel afdrijven onder de werking van het elektrische veld. Er is een kans dat tijdens dit proces elektronen tegen het rooster botsen, waardoor de elektronen in het rooster worden geïoniseerd. Dit proces herhaalt zich en de geïoniseerde ionen in het rooster botsen ook met het rooster, waardoor het aantal ladingsdragers in de APD toeneemt, wat resulteert in een grote stroom. Het is dit unieke fysieke mechanisme binnen APD dat op APD gebaseerde detectoren over het algemeen de kenmerken hebben van een hoge responssnelheid, grote stroomwaardeversterking en hoge gevoeligheid. Vergeleken met PN-junctie en PIN-junctie heeft APD een hogere responssnelheid, wat de snelste responssnelheid is onder de huidige lichtgevoelige buizen.
(5) Schottky-junctie-fotodetector
De basisstructuur van de fotodetector met Schottky-overgang is een Schottky-diode, waarvan de elektrische kenmerken vergelijkbaar zijn met die van de hierboven beschreven PN-overgang, en deze heeft een unidirectionele geleidbaarheid met positieve geleiding en omgekeerde afsnijding. Wanneer een metaal met een hoge werkfunctie en een halfgeleider met een lage werkfunctie contact maken, wordt een Schottky-barrière gevormd en de resulterende verbinding is een Schottky-overgang. Het hoofdmechanisme is enigszins vergelijkbaar met de PN-overgang, waarbij we N-type halfgeleiders als voorbeeld nemen. Wanneer twee materialen contact maken, zullen de elektronen in de halfgeleider als gevolg van de verschillende elektronenconcentraties van de twee materialen naar de metaalzijde diffunderen. De diffuse elektronen hopen zich voortdurend op aan één uiteinde van het metaal, waardoor de oorspronkelijke elektrische neutraliteit van het metaal wordt vernietigd, waardoor een ingebouwd elektrisch veld ontstaat van de halfgeleider naar het metaal op het contactoppervlak, en de elektronen zullen afdrijven onder de werking van het metaal. het interne elektrische veld en de diffusie- en driftbeweging van de drager zullen na verloop van tijd gelijktijdig worden uitgevoerd om een dynamisch evenwicht te bereiken en uiteindelijk een Schottky-overgang te vormen. Onder lichtomstandigheden absorbeert het barrièregebied direct licht en genereert het elektron-gatparen, terwijl de foto-gegenereerde dragers binnen de PN-overgang door het diffusiegebied moeten gaan om het junctiegebied te bereiken. Vergeleken met de PN-overgang heeft de fotodetector op basis van de Schottky-overgang een hogere responssnelheid, en de responssnelheid kan zelfs het ns-niveau bereiken.
Posttijd: 13 augustus 2024