Art der Photodetektor-Gerätestruktur

Art derFotodetektorgerätStruktur
Fotodetektorist ein Gerät, das optische Signale in elektrische Signale umwandelt. Seine Struktur und Vielfalt lassen sich hauptsächlich in die folgenden Kategorien unterteilen:
(1) Photoleitender Fotodetektor
Werden photoleitende Bauelemente Licht ausgesetzt, erhöhen die photogenerierten Träger ihre Leitfähigkeit und verringern ihren Widerstand. Die bei Raumtemperatur angeregten Träger bewegen sich unter Einwirkung eines elektrischen Feldes gerichtet und erzeugen so einen Strom. Unter Lichtbedingungen werden Elektronen angeregt und es kommt zu einem Übergang. Gleichzeitig driften sie unter Einwirkung eines elektrischen Feldes und bilden einen Fotostrom. Die entstehenden photogenerierten Träger erhöhen die Leitfähigkeit des Bauelements und verringern so den Widerstand. Photoleitende Fotodetektoren weisen in der Regel eine hohe Verstärkung und ein hohes Ansprechverhalten auf, können jedoch nicht auf hochfrequente optische Signale reagieren, sodass die Reaktionsgeschwindigkeit gering ist, was die Anwendung photoleitender Bauelemente in einigen Aspekten einschränkt.

(2)PN-Fotodetektor
Ein PN-Fotodetektor entsteht durch den Kontakt zwischen einem P-Typ-Halbleiter und einem N-Typ-Halbleiter. Vor dem Kontakt befinden sich die beiden Materialien in einem getrennten Zustand. Das Fermi-Niveau eines P-Typ-Halbleiters liegt nahe dem Rand des Valenzbandes, während es sich bei einem N-Typ-Halbleiter nahe dem Rand des Leitungsbandes befindet. Gleichzeitig verschiebt sich das Fermi-Niveau des N-Typ-Materials am Rand des Leitungsbandes kontinuierlich nach unten, bis sich die Fermi-Niveaus der beiden Materialien an derselben Position befinden. Die Veränderung der Lage von Leitungsband und Valenzband geht auch mit einer 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 kommen, diffundieren die Elektronen im N-Typ-Material aufgrund der unterschiedlichen Trägerkonzentration zum P-Typ, während die Elektronen im N-Typ-Material in die entgegengesetzte Richtung der Löcher diffundieren. Der durch die Diffusion von Elektronen und Löchern entstehende unkompensierte Bereich bildet ein eingebautes elektrisches Feld, und das eingebaute elektrische Feld führt zur Trägerdrift, wobei die Driftrichtung genau der Diffusionsrichtung entgegengesetzt ist. Das bedeutet, dass die Bildung des eingebauten elektrischen Felds die Diffusion von Trägern verhindert. Innerhalb des PN-Übergangs finden sowohl Diffusion als auch Drift statt, bis die beiden Bewegungsarten ausgeglichen sind, sodass der statische Trägerfluss Null ist. Internes dynamisches Gleichgewicht.
Wird der PN-Übergang belichtet, wird die Energie des Photons auf den Träger übertragen, wodurch der photogenerierte Träger, also das photogenerierte Elektron-Loch-Paar, entsteht. Unter Einwirkung des elektrischen Feldes driften Elektronen und Löcher jeweils in die N- und P-Region, und die gerichtete Drift des photogenerierten Trägers erzeugt einen Fotostrom. Dies ist das Grundprinzip des PN-Übergangs-Fotodetektors.

(3)PIN-Fotodetektor
PIN-Fotodioden bestehen aus p- und n-leitenden Materialien mit der I-Schicht. Die I-Schicht ist in der Regel intrinsisch oder niedrig dotiert. Ihr Funktionsmechanismus ähnelt dem eines pn-Übergangs. Wird der PIN-Übergang Licht ausgesetzt, überträgt das Photon Energie auf das Elektron und erzeugt photogenerierte Ladungsträger. Das interne oder externe elektrische Feld trennt die photogenerierten Elektronen-Loch-Paare in der Sperrschicht, wodurch ein Stromfluss im externen Stromkreis entsteht. Die I-Schicht vergrößert die Sperrschicht. Unter hoher Vorspannung wird die I-Schicht vollständig zur Sperrschicht, wodurch die erzeugten Elektronen-Loch-Paare schnell getrennt werden. Daher ist die Reaktionsgeschwindigkeit eines PIN-Übergangs-Fotodetektors in der Regel höher als die eines pn-Übergangs-Detektors. Ladungsträger außerhalb der I-Schicht werden ebenfalls durch Diffusion von der Sperrschicht erfasst, wodurch ein Diffusionsstrom entsteht. Die I-Schicht ist in der Regel sehr dünn und dient der Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit des Detektors.

(4)APD-FotodetektorLawinenphotodiode
Der Mechanismus derLawinenphotodiodeDer APD-Photodetektor verwendet einen stark dotierten PN-Übergang. Die Betriebsspannung für die APD-Detektion ist hoch. Bei hoher Sperrspannung kommt es im Inneren des APD zu Kollisionsionisation und Lawinenvervielfachung, wodurch der Fotostrom erhöht wird. Im Sperrmodus des APD ist das elektrische Feld in der Verarmungsschicht sehr stark, und die durch Licht erzeugten Ladungsträger werden schnell getrennt und driften unter dem Einfluss des elektrischen Felds schnell. Dabei können Elektronen mit dem Gitter kollidieren und dort ionisieren. Dieser Vorgang wiederholt sich, und die ionisierten Ionen im Gitter kollidieren ebenfalls mit dem Gitter, wodurch die Anzahl der Ladungsträger im APD zunimmt und ein hoher Strom fließt. Dieser einzigartige physikalische Mechanismus im APD verleiht APD-Detektoren im Allgemeinen eine schnelle Reaktionszeit, eine hohe Stromverstärkung und eine hohe Empfindlichkeit. Im Vergleich zu PN-Übergängen und PIN-Übergängen weist APD eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit auf, die schnellste Reaktionsgeschwindigkeit unter den aktuellen lichtempfindlichen Röhren.

(5) Schottky-Übergangs-Fotodetektor
Die Grundstruktur des Schottky-Fotodetektors ist eine Schottky-Diode, deren elektrische Eigenschaften denen des oben beschriebenen PN-Übergangs ähneln. Sie weist eine unidirektionale Leitfähigkeit mit positiver Leitung und Sperrsperrfunktion auf. Wenn ein Metall mit hoher Austrittsarbeit und ein Halbleiter mit niedriger Austrittsarbeit in Kontakt kommen, bildet sich eine Schottky-Barriere, und die resultierende Verbindung ist ein Schottky-Übergang. Der Hauptmechanismus ähnelt dem des PN-Übergangs. Am Beispiel von N-Halbleitern: Wenn zwei Materialien in Kontakt kommen, diffundieren die Elektronen im Halbleiter aufgrund ihrer unterschiedlichen Elektronenkonzentrationen zur Metallseite. Die diffundierten Elektronen sammeln sich kontinuierlich an einem Ende des Metalls und zerstören so die ursprüngliche elektrische Neutralität des Metalls. Dadurch entsteht ein eingebautes elektrisches Feld vom Halbleiter zum Metall an der Kontaktfläche. Die Elektronen driften unter der Einwirkung des inneren elektrischen Felds. Die Diffusions- und Driftbewegung der Ladungsträger erfolgt gleichzeitig. Nach einer gewissen Zeit erreicht sich ein dynamisches Gleichgewicht und schließlich bildet sich ein Schottky-Übergang. Unter Lichtbedingungen absorbiert die Barriereregion Licht direkt und erzeugt Elektron-Loch-Paare, während die photogenerierten Ladungsträger innerhalb der PN-Verbindung die Diffusionsregion passieren müssen, um die Verbindungsregion zu erreichen. Im Vergleich zur PN-Verbindung hat der auf der Schottky-Verbindung basierende Fotodetektor eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit, die sogar den ns-Bereich erreichen kann.