Tipsfotodetektora ierīcestruktūra
Fotodetektorsir ierīce, kas pārveido optisko signālu elektriskā signālā, tās struktūru un dažādību galvenokārt var iedalīt šādās kategorijās:
(1) Fotovadošais fotodetektors
Kad fotovadošās ierīces tiek pakļautas gaismai, fotoģenerētais nesējs palielina to vadītspēju un samazina to pretestību. Istabas temperatūrā ierosinātie nesēji elektriskā lauka ietekmē pārvietojas virzienā, tādējādi radot strāvu. Gaismas apstākļos elektroni tiek ierosināti un notiek pāreja. Vienlaikus tie elektriskā lauka ietekmē dreifē, veidojot fotostrāvu. Iegūtie fotoģenerētie nesēji palielina ierīces vadītspēju un tādējādi samazina pretestību. Fotovadošie fotodetektori parasti uzrāda augstu pastiprinājumu un lielu reaģētspēju, taču tie nevar reaģēt uz augstfrekvences optiskajiem signāliem, tāpēc reakcijas ātrums ir lēns, kas dažos aspektos ierobežo fotovadošo ierīču pielietojumu.
(2)PN fotodetektors
PN fotodetektors veidojas, saskaroties P tipa pusvadītāja materiālam un N tipa pusvadītāja materiālam. Pirms kontakta izveidošanās abi materiāli atrodas atsevišķā stāvoklī. Fermi līmenis P tipa pusvadītājā atrodas tuvu valences joslas malai, savukārt N tipa pusvadītājā Fermi līmenis atrodas tuvu vadītspējas joslas malai. Tajā pašā laikā N tipa materiāla Fermi līmenis vadītspējas joslas malā nepārtraukti virzās uz leju, līdz abu materiālu Fermi līmenis atrodas vienā pozīcijā. Vadītspējas joslas un valences joslas pozīcijas maiņa notiek vienlaikus ar joslas izliekumu. PN pāreja atrodas līdzsvarā un tai ir vienmērīgs Fermi līmenis. No lādiņnesēju analīzes viedokļa lielākā daļa lādiņnesēju P tipa materiālos ir caurumi, savukārt lielākā daļa lādiņnesēju N tipa materiālos ir elektroni. Kad abi materiāli saskaras, lādiņnesēju koncentrācijas atšķirības dēļ elektroni N tipa materiālos difundēs uz P tipa materiāliem, savukārt elektroni N tipa materiālos difundēs pretējā virzienā uz caurumiem. Nekompensētā zona, ko atstāj elektronu un caurumu difūzija, veidos iebūvētu elektrisko lauku, un iebūvētais elektriskais lauks veicinās nesēju dreifu, un dreifa virziens ir tieši pretējs difūzijas virzienam, kas nozīmē, ka iebūvētā elektriskā lauka veidošanās novērš nesēju difūziju, un PN pārejas iekšpusē notiek gan difūzija, gan dreifs, līdz abi kustības veidi ir līdzsvaroti, lai statiskā nesēju plūsma būtu nulle. Iekšējais dinamiskais līdzsvars.
Kad PN pārejas vieta tiek pakļauta gaismas starojumam, fotona enerģija tiek pārnesta uz nesēju, un tiek ģenerēts fotoģenerēts nesējs, tas ir, fotoģenerēts elektronu-caurumu pāris. Elektriskā lauka iedarbībā elektrons un caurums pārvietojas attiecīgi uz N apgabalu un P apgabalu, un fotoģenerētā nesēja virziena novirze ģenerē fotostrāvu. Šis ir PN pārejas fotodetektora pamatprincips.
(3)PIN fotodetektors
Pin fotodiode ir P tipa un N tipa materiāls starp I slāni. Materiāla I slānis parasti ir iekšējais vai mazleģējošs materiāls. Tās darbības mehānisms ir līdzīgs PN savienojumam. Kad PIN savienojums tiek pakļauts gaismas starojumam, fotons pārnes enerģiju uz elektronu, radot fotoģenerētus lādiņnesējus, un iekšējais vai ārējais elektriskais lauks atdala fotoģenerētos elektronu-caurumu pārus noplicināšanas slānī, un novirzītie lādiņnesēji veidos strāvu ārējā ķēdē. I slāņa uzdevums ir paplašināt noplicināšanas slāņa platumu, un I slānis lielā nobīdes sprieguma ietekmē pilnībā kļūs par noplicināšanas slāni, un ģenerētie elektronu-caurumu pāri tiks ātri atdalīti, tāpēc PIN savienojuma fotodetektora reakcijas ātrums parasti ir lielāks nekā PN savienojuma detektoram. Arī nesēji ārpus I slāņa tiek savākti ar noplicināšanas slāni, izmantojot difūzijas kustību, veidojot difūzijas strāvu. I slāņa biezums parasti ir ļoti plāns, un tā mērķis ir uzlabot detektora reakcijas ātrumu.
(4)APD fotodetektorslavīnas fotodiode
Mehānismslavīnas fotodiodeir līdzīgs PN pārejas procesam. APD fotodetektors izmanto stipri leģētu PN pāreju, APD noteikšanas darba spriegums ir liels, un, pievienojot lielu apgriezto nobīdi, APD iekšpusē notiks sadursmju jonizācija un lavīnu reizināšana, un detektora veiktspēja palielinās fotostrāvā. Kad APD atrodas apgrieztās nobīdes režīmā, noplicināšanas slāņa elektriskais lauks būs ļoti spēcīgs, un gaismas ģenerētie fotoģenerētie nesēji tiks ātri atdalīti un elektriskā lauka ietekmē ātri dreifēs. Pastāv varbūtība, ka šī procesa laikā elektroni ietrieksies režģī, izraisot elektronu jonizāciju režģī. Šis process atkārtojas, un jonizētie joni režģī arī saduras ar režģi, izraisot lādiņnesēju skaita palielināšanos APD, kā rezultātā rodas liela strāva. Tieši šis unikālais fiziskais mehānisms APD iekšienē nosaka, ka uz APD balstītiem detektoriem parasti ir ātras reakcijas ātrums, liels strāvas vērtības pieaugums un augsta jutība. Salīdzinot ar PN pāreju un PIN pāreju, APD ir ātrāks reakcijas ātrums, kas ir ātrākais reakcijas ātrums starp pašreizējām gaismjutīgajām lampām.
(5) Šotkija pārejas fotodetektors
Šotkija pārejas fotodetektora pamatstruktūra ir Šotkija diode, kuras elektriskās īpašības ir līdzīgas iepriekš aprakstītajai PN pārejai, un tai ir vienvirziena vadītspēja ar pozitīvu vadītspēju un reversu robežvērtību. Kad metāls ar augstu darba funkciju un pusvadītājs ar zemu darba funkciju veido kontaktu, veidojas Šotkija barjera, un iegūtais savienojums ir Šotkija savienojums. Galvenais mehānisms ir nedaudz līdzīgs PN savienojumam, ņemot par piemēru N tipa pusvadītājus, kad divi materiāli veido kontaktu, abu materiālu atšķirīgās elektronu koncentrācijas dēļ pusvadītāja elektroni difundēs uz metāla pusi. Difundētie elektroni nepārtraukti uzkrājas metāla vienā galā, tādējādi iznīcinot metāla sākotnējo elektrisko neitralitāti, veidojot iebūvētu elektrisko lauku no pusvadītāja uz metālu uz kontakta virsmas, un elektroni dreifēs iekšējā elektriskā lauka ietekmē, un nesēja difūzijas un dreifa kustība notiks vienlaicīgi, pēc noteikta laika, lai sasniegtu dinamisko līdzsvaru, un visbeidzot veidosies Šotkija savienojums. Apgaismojuma apstākļos barjeras reģions tieši absorbē gaismu un ģenerē elektronu-caurumu pārus, savukārt PN pārejas iekšpusē esošajiem fotoģenerētajiem nesējiem ir jāiziet cauri difūzijas apgabalam, lai sasniegtu pārejas apgabalu. Salīdzinot ar PN pāreju, uz Šotki pārejas balstītajam fotodetektoram ir ātrāks reakcijas ātrums, un reakcijas ātrums var sasniegt pat ns līmeni.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 13. augusts