Art der Fotodetektor-Gerätestruktur

Art vonFotodetektorgerätStruktur
Fotodetektorist ein Gerät, das optische Signale in elektrische Signale umwandelt. Seine Struktur und Vielfalt lassen sich hauptsächlich in die folgenden Kategorien einteilen: ‌
(1) Fotoleitender Fotodetektor
Wenn fotoleitende Geräte Licht ausgesetzt werden, erhöht der fotogenerierte Träger ihre Leitfähigkeit und verringert ihren Widerstand. Die bei Raumtemperatur angeregten Ladungsträger bewegen sich unter Einwirkung eines elektrischen Feldes gerichtet und erzeugen so einen Strom. Unter der Bedingung von Licht werden Elektronen angeregt und es kommt zu einem Übergang. Gleichzeitig driften sie unter der Wirkung eines elektrischen Feldes und bilden einen Photostrom. Die resultierenden photogenerierten Träger erhöhen die Leitfähigkeit des Geräts und verringern somit den Widerstand. Fotoleitende Fotodetektoren weisen normalerweise eine hohe Verstärkung und eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit auf, können jedoch nicht auf hochfrequente optische Signale reagieren, sodass die Reaktionsgeschwindigkeit langsam ist, was die Anwendung fotoleitender Geräte in einigen Aspekten einschränkt.

(2)PN-Fotodetektor
Der PN-Fotodetektor wird durch den Kontakt zwischen Halbleitermaterial vom P-Typ und Halbleitermaterial vom N-Typ gebildet. Bevor der Kontakt hergestellt wird, befinden sich die beiden Materialien in einem getrennten Zustand. Das Fermi-Niveau in Halbleitern vom P-Typ liegt nahe am Rand des Valenzbandes, während das Fermi-Niveau in Halbleitern vom N-Typ nahe am Rand des Leitungsbandes liegt. Gleichzeitig wird das Fermi-Niveau des N-Typ-Materials am Rand des Leitungsbandes kontinuierlich nach unten verschoben, bis sich das Fermi-Niveau der beiden Materialien an der gleichen Position befindet. Mit der Änderung der Lage von Leitungsband und Valenzband geht auch eine Biegung des Bandes einher. Der PN-Übergang befindet sich im Gleichgewicht und weist ein einheitliches Fermi-Niveau auf. Aus Sicht der Ladungsträgeranalyse sind die meisten Ladungsträger in P-Typ-Materialien Löcher, während die meisten Ladungsträger in N-Typ-Materialien Elektronen sind. Wenn die beiden Materialien in Kontakt sind, diffundieren die Elektronen in Materialien vom N-Typ aufgrund der unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentration zum P-Typ, während die Elektronen in Materialien vom N-Typ in die entgegengesetzte Richtung zu den Löchern diffundieren. Der nicht kompensierte Bereich, der durch die Diffusion von Elektronen und Löchern entsteht, bildet ein eingebautes elektrisches Feld, und das eingebaute elektrische Feld führt zu einer Ladungsträgerdrift, und die Driftrichtung ist genau entgegengesetzt zur Diffusionsrichtung, was bedeutet, dass die Die Bildung des eingebauten elektrischen Feldes verhindert die Diffusion von Ladungsträgern, und es kommt sowohl zu Diffusion als auch zu Drift innerhalb des PN-Übergangs, bis die beiden Bewegungsarten ausgeglichen sind, sodass der statische Ladungsträgerfluss Null ist. Internes dynamisches Gleichgewicht.
Wenn der PN-Übergang Lichtstrahlung ausgesetzt wird, wird die Energie des Photons auf den Träger übertragen und der photogenerierte Träger, d. h. das photogenerierte Elektron-Loch-Paar, wird erzeugt. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes driften die Elektronen und Löcher in den N-Bereich bzw. den P-Bereich, und die Richtungsdrift des fotogenerierten Ladungsträgers erzeugt einen Fotostrom. Dies ist das Grundprinzip des PN-Übergangs-Fotodetektors.

(3)PIN-Fotodetektor
Die Pin-Fotodiode besteht aus einem Material vom P-Typ und einem Material vom N-Typ zwischen der I-Schicht. Die I-Schicht des Materials ist im Allgemeinen ein intrinsisches oder niedrig dotiertes Material. Sein Funktionsmechanismus ähnelt dem des PN-Übergangs. Wenn der PIN-Übergang Lichtstrahlung ausgesetzt wird, überträgt das Photon Energie auf das Elektron, wodurch photogenerierte Ladungsträger erzeugt werden, und das interne elektrische Feld oder das externe elektrische Feld trennt das photogenerierte Elektron-Loch Paare in der Verarmungsschicht, und die verschobenen Ladungsträger bilden einen Strom im externen Stromkreis. Die Rolle der Schicht I besteht darin, die Breite der Verarmungsschicht zu vergrößern, und die Schicht I wird unter einer großen Vorspannung vollständig zur Verarmungsschicht, und die erzeugten Elektron-Loch-Paare werden schnell getrennt, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit der Schicht I erhöht wird Der PIN-Übergangs-Fotodetektor ist im Allgemeinen schneller als der PN-Übergangsdetektor. Träger außerhalb der I-Schicht werden durch Diffusionsbewegung ebenfalls von der Verarmungsschicht gesammelt und bilden einen Diffusionsstrom. Die Dicke der I-Schicht ist im Allgemeinen sehr gering und dient dazu, die Reaktionsgeschwindigkeit des Detektors zu verbessern.

(4)APD-FotodetektorLawinenfotodiode
Der Mechanismus vonLawinenfotodiodeähnelt dem des PN-Übergangs. Der APD-Fotodetektor verwendet einen stark dotierten PN-Übergang, die auf der APD-Erkennung basierende Betriebsspannung ist groß, und wenn eine große Sperrvorspannung hinzugefügt wird, kommt es innerhalb des APD zu Kollisionsionisation und Lawinenvervielfachung, und die Leistung des Detektors wird durch den Fotostrom erhöht. Wenn sich APD im Sperrvorspannungsmodus befindet, ist das elektrische Feld in der Verarmungsschicht sehr stark und die durch Licht erzeugten photogenerierten Ladungsträger werden schnell getrennt und driften unter der Wirkung des elektrischen Feldes schnell. Es besteht die Wahrscheinlichkeit, dass bei diesem Vorgang Elektronen auf das Gitter treffen und die Elektronen im Gitter ionisiert werden. Dieser Vorgang wiederholt sich und die ionisierten Ionen im Gitter kollidieren ebenfalls mit dem Gitter, wodurch die Anzahl der Ladungsträger in der APD zunimmt, was zu einem großen Strom führt. Es ist dieser einzigartige physikalische Mechanismus innerhalb der APD, der APD-basierten Detektoren im Allgemeinen die Eigenschaften einer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit, einer großen Stromwertverstärkung und einer hohen Empfindlichkeit verleiht. Im Vergleich zu PN-Übergängen und PIN-Übergängen weist APD eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit auf, was die schnellste Reaktionsgeschwindigkeit unter den aktuellen lichtempfindlichen Röhren ist.

(5) Schottky-Übergangsfotodetektor
Die Grundstruktur des Schottky-Übergangs-Fotodetektors ist eine Schottky-Diode, deren elektrische Eigenschaften denen des oben beschriebenen PN-Übergangs ähneln und eine unidirektionale Leitfähigkeit mit positiver Leitung und Rückwärtssperre aufweisen. Wenn ein Metall mit einer hohen Austrittsarbeit und ein Halbleiter mit einer niedrigen Austrittsarbeit Kontakt bilden, entsteht eine Schottky-Barriere und der resultierende Übergang ist ein Schottky-Übergang. Der Hauptmechanismus ähnelt in gewisser Weise dem PN-Übergang, am Beispiel von Halbleitern vom N-Typ. Wenn zwei Materialien Kontakt bilden, diffundieren die Elektronen im Halbleiter aufgrund der unterschiedlichen Elektronenkonzentrationen der beiden Materialien zur Metallseite. Die diffundierten Elektronen sammeln sich kontinuierlich an einem Ende des Metalls an, zerstören so die ursprüngliche elektrische Neutralität des Metalls und bilden ein eingebautes elektrisches Feld vom Halbleiter zum Metall auf der Kontaktfläche, und die Elektronen driften unter der Wirkung des Metalls Das interne elektrische Feld und die Diffusions- und Driftbewegung des Trägers werden nach einer gewissen Zeit gleichzeitig ausgeführt, um ein dynamisches Gleichgewicht zu erreichen und schließlich einen Schottky-Übergang zu bilden. Unter Lichtbedingungen absorbiert der Barrierebereich Licht direkt und erzeugt Elektron-Loch-Paare, während die fotogenerierten Ladungsträger innerhalb des PN-Übergangs den Diffusionsbereich passieren müssen, um den Übergangsbereich zu erreichen. Im Vergleich zum PN-Übergang weist der auf dem Schottky-Übergang basierende Fotodetektor eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit auf, und die Reaktionsgeschwindigkeit kann sogar den ns-Bereich erreichen.