Soortfotodetectorapparaatstructuur
FotodetectorEen apparaat dat een optisch signaal omzet in een elektrisch signaal, kan, afhankelijk van de structuur en variëteit, hoofdzakelijk worden onderverdeeld in de volgende categorieën:
(1) Fotogeleidende fotodetector
Wanneer fotogeleidende apparaten aan licht worden blootgesteld, verhogen de fotogegenereerde ladingsdragers hun geleidbaarheid en verlagen ze hun weerstand. De ladingsdragers, die bij kamertemperatuur worden aangeslagen, bewegen zich onder invloed van een elektrisch veld in een bepaalde richting, waardoor een stroom ontstaat. Onder invloed van licht worden elektronen aangeslagen en vindt er een overgang plaats. Tegelijkertijd bewegen ze onder invloed van een elektrisch veld, waardoor een fotostroom ontstaat. De resulterende fotogegenereerde ladingsdragers verhogen de geleidbaarheid van het apparaat en verlagen daardoor de weerstand. Fotogeleidende fotodetectoren vertonen doorgaans een hoge versterking en een grote responsiviteit, maar ze kunnen niet reageren op hoogfrequente optische signalen, waardoor de reactiesnelheid traag is. Dit beperkt de toepassingsmogelijkheden van fotogeleidende apparaten in sommige opzichten.
(2)PN-fotodetector
Een PN-fotodetector wordt gevormd door het contact tussen een P-type halfgeleidermateriaal en een N-type halfgeleidermateriaal. Voordat het contact tot stand komt, bevinden de twee materialen zich in een gescheiden toestand. Het Fermi-niveau in de P-type halfgeleider ligt dicht bij de rand van de valentieband, terwijl het Fermi-niveau in de N-type halfgeleider dicht bij de rand van de geleidingsband ligt. Tegelijkertijd verschuift het Fermi-niveau van het N-type materiaal aan de rand van de geleidingsband continu naar beneden totdat de Fermi-niveaus van beide materialen zich op dezelfde positie bevinden. De verandering van de positie van de geleidingsband en de valentieband gaat gepaard met een buiging van de band. De PN-junctie bevindt zich in evenwicht en heeft een uniform Fermi-niveau. Vanuit het oogpunt van ladingsdrageranalyse blijkt dat de meeste ladingsdragers in P-type materialen gaten zijn, terwijl de meeste ladingsdragers in N-type materialen elektronen zijn. Wanneer de twee materialen met elkaar in contact komen, zullen de elektronen in het N-type materiaal, vanwege het verschil in ladingsdragerconcentratie, naar het P-type materiaal diffunderen, terwijl de elektronen in het N-type materiaal in de tegenovergestelde richting van de gaten diffunderen. Het ongecompenseerde gebied dat overblijft na de diffusie van elektronen en gaten vormt een ingebouwd elektrisch veld. Dit ingebouwde elektrische veld beïnvloedt de ladingsdragerdrift, waarbij de driftrichting precies tegengesteld is aan de diffusierichting. Dit betekent dat de vorming van het ingebouwde elektrische veld de diffusie van ladingsdragers belemmert, waardoor er zowel diffusie als drift plaatsvindt binnen de PN-junctie totdat beide bewegingen in evenwicht zijn en de statische ladingsdragerstroom nul is. Intern dynamisch evenwicht.
Wanneer de PN-junctie wordt blootgesteld aan lichtstraling, wordt de energie van het foton overgedragen aan de ladingsdrager, waardoor een fotogegenereerde ladingsdrager, oftewel een elektron-gatpaar, ontstaat. Onder invloed van het elektrische veld bewegen de elektronen en gaten respectievelijk naar het N-gebied en het P-gebied, en de gerichte beweging van de fotogegenereerde ladingsdrager genereert een fotostroom. Dit is het basisprincipe van een PN-junctie-fotodetector.
(3)PIN-fotodetector
Een PIN-fotodiode bestaat uit een P-type materiaal en een N-type materiaal met daartussen een I-laag. De I-laag is doorgaans een intrinsiek of laaggedoteerd materiaal. Het werkingsmechanisme is vergelijkbaar met dat van een PN-junctie. Wanneer de PIN-junctie wordt blootgesteld aan lichtstraling, draagt het foton energie over aan het elektron, waardoor fotogegenereerde ladingsdragers ontstaan. Het interne of externe elektrische veld scheidt de fotogegenereerde elektron-gatparen in de depletielaag, en de vrijgekomen ladingsdragers vormen een stroom in het externe circuit. De I-laag vergroot de breedte van de depletielaag. Onder een hoge bias-spanning wordt de I-laag volledig de depletielaag, waardoor de gegenereerde elektron-gatparen snel worden gescheiden. Hierdoor is de reactiesnelheid van een PIN-fotodetector doorgaans hoger dan die van een PN-fotodetector. Ladingsdragers buiten de I-laag worden ook door de depletielaag opgevangen via diffusie, waardoor een diffusiestroom ontstaat. De dikte van de I-laag is over het algemeen erg dun, en het doel ervan is om de reactiesnelheid van de detector te verbeteren.
(4)APD-fotodetectorlawinefotodiode
Het mechanisme vanlawinefotodiodeDit is vergelijkbaar met dat van een PN-junctie. Een APD-fotodetector maakt gebruik van een sterk gedoteerde PN-junctie. De bedrijfsspanning van een APD-detectie is hoog, en wanneer een grote omgekeerde voorspanning wordt aangelegd, vinden botsingsionisatie en lawinevermeerdering plaats in de APD, wat leidt tot een verhoogde fotostroom. Wanneer de APD in de omgekeerde voorspanningsmodus staat, is het elektrische veld in de depletielaag zeer sterk. De door licht gegenereerde fotodragers worden snel gescheiden en bewegen snel onder invloed van het elektrische veld. Tijdens dit proces is er een kans dat elektronen botsen met het rooster, waardoor de elektronen in het rooster worden geïoniseerd. Dit proces herhaalt zich, waarbij de geïoniseerde ionen in het rooster ook botsen met het rooster, waardoor het aantal ladingdragers in de APD toeneemt en een grote stroom ontstaat. Het is dit unieke fysische mechanisme in de APD dat ervoor zorgt dat op APD gebaseerde detectoren over het algemeen een snelle respons, een hoge stroomversterking en een hoge gevoeligheid hebben. Vergeleken met PN-juncties en PIN-juncties heeft APD een snellere reactiesnelheid, de snelste reactiesnelheid van alle huidige lichtgevoelige buizen.
(5) Schottky-junctie fotodetector
De basisstructuur van de Schottky-junctie-fotodetector is een Schottky-diode, waarvan de elektrische eigenschappen vergelijkbaar zijn met die van de hierboven beschreven PN-junctie. Deze diode heeft een unidirectionele geleiding met positieve geleiding en een omgekeerde afsnijding. Wanneer een metaal met een hoge uittreedarbeid en een halfgeleider met een lage uittreedarbeid met elkaar in contact komen, ontstaat een Schottky-barrière en de resulterende junctie is een Schottky-junctie. Het belangrijkste mechanisme is enigszins vergelijkbaar met dat van de PN-junctie. Neem bijvoorbeeld N-type halfgeleiders: wanneer twee materialen met elkaar in contact komen, zullen de elektronen in de halfgeleider, vanwege de verschillende elektronenconcentraties in de twee materialen, naar de metaalzijde diffunderen. De verspreide elektronen hopen zich continu op aan één uiteinde van het metaal, waardoor de oorspronkelijke elektrische neutraliteit van het metaal wordt verstoord. Hierdoor ontstaat een ingebouwd elektrisch veld tussen de halfgeleider en het metaal op het contactoppervlak. Onder invloed van dit interne elektrische veld bewegen de elektronen, waarbij de diffusie en de drift van de ladingsdragers gelijktijdig plaatsvinden. Na verloop van tijd bereiken ze een dynamisch evenwicht en vormen uiteindelijk een Schottky-junctie. Onder lichtomstandigheden absorbeert het barrièregebied direct licht en genereert elektronen-gatparen, terwijl de fotogegenereerde ladingsdragers in de PN-junctie eerst door het diffusiegebied moeten om het junctiegebied te bereiken. In vergelijking met een PN-junctie heeft een fotodetector gebaseerd op een Schottky-junctie een snellere respons, die zelfs nanoseconden kan bereiken.
Geplaatst op: 13 augustus 2024