Tipasfotodetektoriusstruktūra
Fotodetektoriusyra įrenginys, kuris optinį signalą paverčia elektriniu signalu, jo struktūrą ir įvairovę galima suskirstyti į šias kategorijas:
(1) Fotolaidusis fotodetektorius
Kai fotolaidūs įtaisai yra veikiami šviesos, fotogeneruotas krūvininkas padidina jų laidumą ir sumažina jų varžą. Kambario temperatūroje sužadinti krūvininkai, veikiami elektrinio lauko, juda kryptingai, taip sukurdami srovę. Šviesos sąlygomis elektronai sužadinami ir įvyksta perėjimas. Tuo pačiu metu, veikiant elektriniam laukui, jie dreifuoja, sudarydami fotosrovę. Gauti fotogeneruoti krūvininkai padidina įtaiso laidumą ir taip sumažina varžą. Fotolaidūs fotodetektoriai paprastai pasižymi dideliu stiprinimo koeficientu ir dideliu jautrumu, tačiau jie negali reaguoti į aukšto dažnio optinius signalus, todėl jų atsako greitis yra lėtas, o tai kai kuriais aspektais riboja fotolaidžių įtaisų taikymą.
(2)PN fotodetektorius
PN fotodetektorius susidaro kontaktuojant P tipo puslaidininkinei medžiagai ir N tipo puslaidininkinei medžiagai. Prieš kontaktą šios dvi medžiagos yra atskiroje būsenoje. P tipo puslaidininkyje Fermio lygmuo yra arti valentinės juostos krašto, o N tipo puslaidininkyje – arti laidumo juostos krašto. Tuo pačiu metu N tipo medžiagos Fermio lygmuo laidumo juostos krašte nuolat slenka žemyn, kol abiejų medžiagų Fermio lygmuo yra toje pačioje padėtyje. Laidumo ir valentinės juostos padėties pasikeitimą lydi ir juostos lenkimas. PN sandūra yra pusiausvyroje ir turi vienodą Fermio lygmenį. Krūvininkų analizės požiūriu, dauguma P tipo medžiagų krūvininkų yra skylės, o dauguma N tipo medžiagų krūvininkų yra elektronai. Kai abi medžiagos liečiasi, dėl skirtingos krūvininkų koncentracijos N tipo medžiagų elektronai difunduoja į P tipo krūvininkus, o N tipo medžiagų elektronai difunduoja priešinga kryptimi į skyles. Dėl elektronų ir skylių difuzijos likusioje nekompensuotoje srityje susidarys vidinis elektrinis laukas, o vidinis elektrinis laukas skatins krūvininkų dreifą, o dreifo kryptis bus visiškai priešinga difuzijos krypčiai. Tai reiškia, kad vidinio elektrinio lauko susidarymas neleidžia krūvininkams difuzuotis, ir PN sandūros viduje vyksta ir difuzija, ir dreifas, kol šie du judėjimai susibalansuoja taip, kad statinis krūvininkų srautas yra lygus nuliui. Vidinė dinaminė pusiausvyra.
Kai PN sandūra veikiama šviesos spinduliuotės, fotono energija perduodama nešėjui ir susidaro fotogeneruotas nešėjas, t. y. fotogeneruota elektronų ir skylių pora. Veikiant elektriniam laukui, elektronas ir skylė atitinkamai pasislenka į N ir P sritis, o fotogeneruoto nešėjo kryptingas poslinkis sukuria fotosrovę. Tai yra pagrindinis PN sandūros fotodetektoriaus principas.
(3)PIN fotodetektorius
PIN fotodiodas yra P tipo ir N tipo medžiaga, esanti tarp I sluoksnio. I sluoksnio medžiaga paprastai yra vidinė arba mažai legiruojanti medžiaga. Jo veikimo mechanizmas yra panašus į PN sandūros: kai PIN sandūra veikiama šviesos spinduliuotės, fotonas perduoda energiją elektronui, sukurdamas fotogeneruotus krūvininkus, o vidinis arba išorinis elektrinis laukas atskiria fotogeneruotas elektronų ir skylių poras išeikvojimo sluoksnyje, o dreifuojantys krūvininkai suformuoja srovę išorinėje grandinėje. I sluoksnio vaidmuo yra išplėsti išeikvojimo sluoksnio plotį, o esant didelei įtampai, I sluoksnis visiškai tampa išeikvojimo sluoksniu, o sukurtos elektronų ir skylių poros greitai atsiskiria, todėl PIN sandūros fotodetektoriaus atsako greitis paprastai yra didesnis nei PN sandūros detektoriaus. Krūvininkai už I sluoksnio ribų taip pat surenkami išeikvojimo sluoksnyje difuzijos būdu, suformuojant difuzijos srovę. I sluoksnio storis paprastai yra labai plonas, o jo paskirtis – pagerinti detektoriaus atsako greitį.
(4)APD fotodetektoriuslavinos fotodiodas
Mechanizmaslavinos fotodiodasyra panašus į PN sandūros. APD fotodetektorius naudoja stipriai legiruotą PN sandūrą, APD aptikimui reikalinga didelė darbinė įtampa, o pridėjus didelį atvirkštinį poslinkį, APD viduje įvyks susidūrimo jonizacija ir lavinos dauginimasis, o detektoriaus veikimas padidės fotosrove. Kai APD veikia atvirkštinio poslinkio režimu, išsekimo sluoksnio elektrinis laukas bus labai stiprus, o šviesos generuojami fotoelektriniai krūvininkai greitai atsiskirs ir greitai dreifuos veikiant elektriniam laukui. Šio proceso metu elektronai atsitrenks į gardelę, todėl gardelėje esantys elektronai bus jonizuoti. Šis procesas kartojasi, o jonizuoti jonai gardelėje taip pat susiduria su gardele, todėl APD krūvininkų skaičius padidės, o tai sukels didelę srovę. Būtent šis unikalus fizinis mechanizmas APD viduje lemia, kad APD pagrindu veikiantys detektoriai paprastai pasižymi greitu atsako greičiu, dideliu srovės vertės padidėjimu ir dideliu jautrumu. Palyginti su PN sandūra ir PIN sandūra, APD turi greitesnį atsako greitį, kuris yra greičiausias atsako greitis tarp dabartinių šviesai jautrių vamzdelių.
(5) Šotkio sandūros fotodetektorius
Pagrindinė Schottky sandūros fotodetektoriaus struktūra yra Schottky diodas, kurio elektrinės charakteristikos yra panašios į aukščiau aprašytos PN sandūros, ir jis pasižymi vienkrypčiu laidumu su teigiamu laidumu ir atvirkštiniu ribojimu. Kai metalas, turintis didelį darbo funkciją, ir puslaidininkis, turintis mažą darbo funkciją, susiliečia, susidaro Schottky barjeras, ir gauta sandūra yra Schottky sandūra. Pagrindinis mechanizmas yra šiek tiek panašus į PN sandūros, pavyzdžiui, N tipo puslaidininkiuose, kai dvi medžiagos susiliečia, dėl skirtingos elektronų koncentracijos abiejose medžiagose puslaidininkio elektronai difunduoja į metalo pusę. Difuziniai elektronai nuolat kaupiasi viename metalo gale, taip sunaikindami pradinį metalo elektrinį neutralumą, sudarydami vidinį elektrinį lauką nuo puslaidininkio iki metalo kontaktiniame paviršiuje, o elektronai dreifuoja veikiant vidiniam elektriniam laukui, o krūvininkų difuzijos ir dreifo judėjimas vyksta vienu metu, po tam tikro laiko pasiekiama dinaminė pusiausvyra, ir galiausiai susidaro Schottky sandūra. Šviesos sąlygomis barjerinė sritis tiesiogiai sugeria šviesą ir generuoja elektronų ir skylių poras, o PN sandūros viduje esantys fotogeneruoti krūvininkai turi praeiti per difuzijos sritį, kad pasiektų sandūros sritį. Palyginti su PN sandūra, Šotkio sandūros pagrindu sukurtas fotodetektorius pasižymi greitesniu atsako greičiu, kuris gali siekti net ns.
Įrašo laikas: 2024 m. rugpjūčio 13 d.