Art der Fotodetektor-Bauelementstruktur

Art vonFotodetektorvorrichtungStruktur
Fotodetektorist ein Gerät, das optische Signale in elektrische Signale umwandelt; seine Struktur und Vielfalt lassen sich hauptsächlich in folgende Kategorien unterteilen:
(1) Fotoleitender Fotodetektor
Wenn fotoleitende Bauelemente Licht ausgesetzt werden, erhöhen die photogenerierten Ladungsträger deren Leitfähigkeit und verringern deren Widerstand. Die bei Raumtemperatur angeregten Ladungsträger bewegen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet und erzeugen so einen Strom. Unter Lichteinwirkung werden Elektronen angeregt und es kommt zu Übergängen. Gleichzeitig driften sie unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes und bilden einen Fotostrom. Die entstehenden photogenerierten Ladungsträger erhöhen die Leitfähigkeit des Bauelements und verringern dadurch den Widerstand. Fotoleitende Fotodetektoren weisen üblicherweise eine hohe Verstärkung und ein gutes Ansprechverhalten auf, können jedoch nicht auf hochfrequente optische Signale reagieren. Die daraus resultierende langsame Ansprechgeschwindigkeit schränkt die Anwendung fotoleitender Bauelemente in mancher Hinsicht ein.

(2)PN-Fotodetektor
Ein PN-Photodetektor entsteht durch den Kontakt zwischen einem p-leitenden und einem n-leitenden Halbleitermaterial. Vor der Kontaktbildung befinden sich die beiden Materialien in einem getrennten Zustand. Das Fermi-Niveau im p-leitenden Halbleiter liegt nahe der Valenzbandkante, während das Fermi-Niveau im n-leitenden Halbleiter nahe der Leitungsbandkante liegt. Gleichzeitig verschiebt sich das Fermi-Niveau des n-leitenden Materials an der Leitungsbandkante kontinuierlich nach unten, bis die Fermi-Niveaus beider Materialien übereinstimmen. Diese Verschiebung der Leitungs- und Valenzbandkanten ist mit einer Bandverbiegung verbunden. Der PN-Übergang befindet sich im Gleichgewicht und weist ein einheitliches Fermi-Niveau auf. Betrachtet man die Ladungsträgeranalyse, so sind die meisten Ladungsträger im p-leitenden Material Löcher, während im n-leitenden Material die meisten Ladungsträger Elektronen sind. Beim Kontakt der beiden Materialien diffundieren aufgrund der unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen die Elektronen im n-leitenden Material zum p-leitenden Material, während die Elektronen im n-leitenden Material entgegen der Diffusionsrichtung der Löcher diffundieren. Der durch die Diffusion von Elektronen und Löchern entstehende unkompensierte Bereich bildet ein eingebautes elektrisches Feld. Dieses Feld bewirkt eine Ladungsträgerdrift, deren Richtung der Diffusionsrichtung entgegengesetzt ist. Das eingebaute elektrische Feld hemmt somit die Diffusion der Ladungsträger. Innerhalb des PN-Übergangs finden Diffusion und Drift so lange statt, bis sich beide Bewegungsarten im Gleichgewicht befinden und der statische Ladungsträgerfluss null ist. Internes dynamisches Gleichgewicht.
Wird ein PN-Übergang mit Licht bestrahlt, wird die Energie eines Photons auf einen Ladungsträger übertragen, wodurch ein photogeneriertes Elektron-Loch-Paar entsteht. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern die Elektronen und Löcher in die N- bzw. P-Zone. Diese gerichtete Drift der photogenerierten Ladungsträger erzeugt einen Photostrom. Dies ist das Grundprinzip eines PN-Übergangs-Photodetektors.

(3)PIN-Fotodetektor
Eine PIN-Photodiode besteht aus einem p- und einem n-dotierten Material zwischen der I-Schicht. Die I-Schicht ist in der Regel ein intrinsisches oder niedrig dotiertes Material. Ihr Funktionsprinzip ähnelt dem eines PN-Übergangs: Bei Lichteinfall auf den PIN-Übergang überträgt ein Photon Energie auf ein Elektron und erzeugt so photogenerierte Ladungsträger. Diese werden durch ein internes oder externes elektrisches Feld in der Verarmungszone in Elektron-Loch-Paare getrennt. Die driftenden Ladungsträger bilden einen Strom im externen Stromkreis. Die I-Schicht verbreitert die Verarmungszone. Unter hoher Vorspannung bildet sie diese vollständig, wodurch die Elektron-Loch-Paare schnell getrennt werden. Daher ist die Ansprechgeschwindigkeit eines PIN-Photodetektors im Allgemeinen höher als die eines PN-Photodetektors. Ladungsträger außerhalb der I-Schicht werden durch Diffusion in der Verarmungszone gesammelt und bilden einen Diffusionsstrom. Die I-Schicht ist in der Regel sehr dünn, um die Ansprechgeschwindigkeit des Detektors zu verbessern.

(4)APD-FotodetektorLawinenfotodiode
Der Mechanismus vonLawinenfotodiodeÄhnlich wie bei einem PN-Übergang nutzt der APD-Photodetektor einen hochdotierten PN-Übergang. Die Betriebsspannung ist hoch, und bei Anlegen einer hohen Sperrspannung kommt es im APD zu Stoßionisation und Lawinenvervielfachung, was den Photostrom erhöht. Im Sperrbetrieb ist das elektrische Feld in der Verarmungszone sehr stark. Die durch Licht erzeugten Ladungsträger werden schnell getrennt und driften unter dem Einfluss des Feldes. Dabei stoßen Elektronen mit dem Kristallgitter zusammen und ionisieren es. Dieser Prozess wiederholt sich, und die ionisierten Ionen stoßen erneut mit dem Gitter zusammen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Ladungsträger im APD, was zu einem hohen Strom führt. Dieser einzigartige physikalische Mechanismus im APD verleiht APD-basierten Detektoren im Allgemeinen die Eigenschaften einer schnellen Ansprechzeit, einer hohen Stromverstärkung und einer hohen Empfindlichkeit. Im Vergleich zu PN- und PIN-Übergängen weist die APD eine schnellere Ansprechgeschwindigkeit auf und besitzt damit die schnellste Ansprechgeschwindigkeit unter den derzeit verwendeten fotoempfindlichen Röhren.

(5) Schottky-Übergangs-Photodetektor
Die Grundstruktur eines Schottky-Photodetektors ist eine Schottky-Diode, deren elektrische Eigenschaften denen des oben beschriebenen PN-Übergangs ähneln. Sie weist eine unidirektionale Leitfähigkeit mit positiver Leitung und Sperrbereich auf. Beim Kontakt eines Metalls mit hoher Austrittsarbeit und eines Halbleiters mit niedriger Austrittsarbeit bildet sich eine Schottky-Barriere, und der resultierende Übergang ist ein Schottky-Übergang. Der Hauptmechanismus ähnelt dem des PN-Übergangs. Am Beispiel von N-Halbleitern lässt sich dies verdeutlichen: Beim Kontakt zweier Materialien diffundieren aufgrund der unterschiedlichen Elektronenkonzentrationen der beiden Materialien Elektronen aus dem Halbleiter zur Metallseite. Die diffundierten Elektronen sammeln sich kontinuierlich an einem Ende des Metalls an und zerstören so dessen ursprüngliche elektrische Neutralität. Dadurch entsteht an der Kontaktfläche ein eingebautes elektrisches Feld zwischen Halbleiter und Metall. Die Elektronen driften unter dem Einfluss dieses Feldes. Diffusion und Driftbewegung der Ladungsträger erfolgen gleichzeitig. Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, und schließlich bildet sich ein Schottky-Übergang. Unter Lichteinwirkung absorbiert die Barriereschicht direkt Licht und erzeugt Elektron-Loch-Paare, während die photogenerierten Ladungsträger im PN-Übergang die Diffusionsschicht durchlaufen müssen, um den Übergangsbereich zu erreichen. Im Vergleich zum PN-Übergang weist der auf einem Schottky-Übergang basierende Photodetektor eine deutlich schnellere Ansprechzeit auf, die sogar Nanosekunden erreichen kann.