Tipo dedispositivo fotodetectorestrutura
FotodetectorÉ um dispositivo que converte sinal óptico em sinal elétrico. Sua estrutura e variedade podem ser divididas principalmente nas seguintes categorias:
(1) Fotodetector fotocondutor
Quando dispositivos fotocondutores são expostos à luz, os portadores fotogerados aumentam sua condutividade e diminuem sua resistência. Os portadores excitados à temperatura ambiente movem-se de forma direcional sob a ação de um campo elétrico, gerando assim uma corrente. Sob a ação da luz, os elétrons são excitados e ocorre uma transição. Simultaneamente, eles se deslocam sob a ação de um campo elétrico, formando uma fotocorrente. Os portadores fotogerados resultantes aumentam a condutividade do dispositivo e, consequentemente, reduzem a resistência. Fotodetectores fotocondutores geralmente apresentam alto ganho e grande capacidade de resposta, mas não conseguem responder a sinais ópticos de alta frequência, resultando em uma velocidade de resposta lenta, o que limita a aplicação de dispositivos fotocondutores em alguns aspectos.
(2)Fotodetector PN
O fotodetector PN é formado pelo contato entre um material semicondutor do tipo P e um material semicondutor do tipo N. Antes da formação do contato, os dois materiais estão em estados separados. O nível de Fermi no semicondutor do tipo P está próximo à borda da banda de valência, enquanto o nível de Fermi no semicondutor do tipo N está próximo à borda da banda de condução. Simultaneamente, o nível de Fermi do material do tipo N, na borda da banda de condução, desloca-se continuamente para baixo até que o nível de Fermi dos dois materiais esteja na mesma posição. A mudança na posição das bandas de condução e de valência também é acompanhada pela curvatura das bandas. A junção PN está em equilíbrio e possui um nível de Fermi uniforme. Do ponto de vista da análise de portadores de carga, a maioria dos portadores de carga nos materiais do tipo P são lacunas, enquanto a maioria dos portadores de carga nos materiais do tipo N são elétrons. Quando os dois materiais estão em contato, devido à diferença na concentração de portadores, os elétrons nos materiais do tipo N difundem-se para os do tipo P, enquanto os elétrons nos materiais do tipo N difundem-se na direção oposta à dos buracos. A área não compensada deixada pela difusão de elétrons e buracos forma um campo elétrico interno, que por sua vez influencia o movimento dos portadores. A direção do movimento é oposta à direção da difusão, o que significa que a formação do campo elétrico interno impede a difusão dos portadores. Assim, tanto a difusão quanto o movimento ocorrem dentro da junção PN até que se equilibrem, resultando em um equilíbrio dinâmico interno com fluxo estático de portadores igual a zero.
Quando a junção PN é exposta à radiação luminosa, a energia do fóton é transferida para o portador, gerando um par elétron-buraco fotogerado. Sob a ação do campo elétrico, o elétron e o buraco migram para as regiões N e P, respectivamente, e essa migração direcional gera uma fotocorrente. Este é o princípio básico do fotodetector de junção PN.
(3)fotodetector PIN
O fotodiodo PIN possui uma camada intermediária (I) composta por um material do tipo P e um material do tipo N. A camada intermediária geralmente é um material intrínseco ou com baixa dopagem. Seu mecanismo de funcionamento é semelhante ao da junção PN: quando a junção PIN é exposta à radiação luminosa, o fóton transfere energia para o elétron, gerando portadores de carga fotogerados. O campo elétrico interno ou externo separa os pares elétron-buraco fotogerados na camada de depleção, e os portadores de carga deslocados formam uma corrente no circuito externo. A camada intermediária tem a função de expandir a largura da camada de depleção, tornando-se completamente a camada de depleção sob uma alta tensão de polarização. Os pares elétron-buraco gerados são rapidamente separados, o que resulta em uma velocidade de resposta geralmente maior para o fotodetector de junção PIN em comparação com o fotodetector de junção PN. Os portadores fora da camada intermediária também são coletados pela camada de depleção por meio de difusão, formando uma corrente de difusão. A espessura da camada I é geralmente muito fina, e seu objetivo é melhorar a velocidade de resposta do detector.
(4)Fotodetector APDfotodiodo de avalanche
O mecanismo defotodiodo de avalancheé semelhante ao de uma junção PN. O fotodetector APD utiliza uma junção PN fortemente dopada, a tensão de operação baseada na detecção por APD é alta e, quando uma grande polarização reversa é aplicada, a ionização por colisão e a multiplicação por avalanche ocorrem dentro do APD, aumentando o desempenho do detector em termos de fotocorrente. Quando o APD está em modo de polarização reversa, o campo elétrico na camada de depleção torna-se muito forte, e os portadores fotogerados pela luz são rapidamente separados e se deslocam rapidamente sob a ação do campo elétrico. Há uma probabilidade de que os elétrons colidam com a rede cristalina durante esse processo, causando a ionização dos elétrons na rede. Esse processo se repete, e os íons ionizados na rede também colidem com a rede, fazendo com que o número de portadores de carga no APD aumente, resultando em uma grande corrente. É esse mecanismo físico único dentro do APD que geralmente confere aos detectores baseados em APD características como alta velocidade de resposta, alto ganho de corrente e alta sensibilidade. Comparado com as junções PN e PIN, o APD possui uma velocidade de resposta mais rápida, sendo a mais rápida entre os tubos fotossensíveis atuais.
(5) Fotodetector de junção Schottky
A estrutura básica do fotodetector de junção Schottky é um diodo Schottky, cujas características elétricas são semelhantes às da junção PN descrita anteriormente, apresentando condutividade unidirecional com condução positiva e corte reverso. Quando um metal com alta função de trabalho e um semicondutor com baixa função de trabalho entram em contato, forma-se uma barreira Schottky, resultando em uma junção Schottky. O mecanismo principal é semelhante ao da junção PN, tomando como exemplo os semicondutores do tipo N: quando dois materiais entram em contato, devido às diferentes concentrações de elétrons entre eles, os elétrons do semicondutor difundem-se para o lado do metal. Os elétrons difundidos acumulam-se continuamente em uma extremidade do metal, destruindo assim a neutralidade elétrica original do metal e formando um campo elétrico interno do semicondutor para o metal na superfície de contato. Os elétrons, então, se deslocam sob a ação desse campo elétrico interno, e o movimento de difusão e deriva dos portadores ocorre simultaneamente. Após um período de tempo, atingem o equilíbrio dinâmico e, finalmente, formam uma junção Schottky. Sob condições de iluminação, a região da barreira absorve a luz diretamente e gera pares elétron-buraco, enquanto os portadores fotogerados dentro da junção PN precisam passar pela região de difusão para alcançar a região da junção. Comparado com a junção PN, o fotodetector baseado na junção Schottky possui uma velocidade de resposta mais rápida, podendo atingir até mesmo o nível de nanossegundos.
Data da publicação: 13 de agosto de 2024