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, a portadora fotogerada aumenta sua condutividade e diminui sua resistência. As portadoras excitadas à temperatura ambiente movem-se direcionalmente sob a ação de um campo elétrico, gerando assim uma corrente. Sob a condição de luz, os elétrons são excitados e a transição ocorre. Ao mesmo tempo, eles se deslocam sob a ação de um campo elétrico para formar uma fotocorrente. As portadoras fotogeradas resultantes aumentam a condutividade do dispositivo e, portanto, reduzem a resistência. Fotodetectores fotocondutores geralmente apresentam alto ganho e ótima responsividade em desempenho, mas não conseguem responder a sinais ópticos de alta frequência, portanto, a velocidade de resposta é lenta, o que limita a aplicação de dispositivos fotocondutores em alguns aspectos.
(2)Fotodetector PN
O fotodetector PN é formado pelo contato entre o material semicondutor do tipo P e o material semicondutor do tipo N. Antes do contato ser formado, os dois materiais estão em um estado separado. O nível de Fermi no semicondutor do tipo P está próximo da borda da banda de valência, enquanto o nível de Fermi no semicondutor do tipo N está próximo da borda da banda de condução. Ao mesmo tempo, o nível de Fermi do material do tipo N na borda da banda de condução é continuamente deslocado para baixo até que o nível de Fermi dos dois materiais esteja na mesma posição. A mudança da posição da banda de condução e da banda de valência também é acompanhada pela curvatura da banda. A junção PN está em equilíbrio e tem um nível de Fermi uniforme. Do ponto de vista da análise de portadores de carga, a maioria dos portadores de carga em materiais do tipo P são lacunas, enquanto a maioria dos portadores de carga em 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 se difundem para o tipo P, enquanto os elétrons nos materiais do tipo N se difundem na direção oposta às lacunas. A área não compensada deixada pela difusão de elétrons e lacunas formará um campo elétrico incorporado, que tenderá a derivar os portadores, sendo a direção da deriva exatamente oposta à direção da difusão. Isso significa que a formação do campo elétrico incorporado impede a difusão dos portadores, e há difusão e deriva dentro da junção PN até que os dois tipos de movimento estejam equilibrados, de modo que o fluxo de portadores estáticos seja zero. Equilíbrio dinâmico interno.
Quando a junção PN é exposta à radiação luminosa, a energia do fóton é transferida para o portador, gerando o portador fotogerado, ou seja, o par elétron-lacuna fotogerado. Sob a ação do campo elétrico, o elétron e a lacuna se deslocam para a região N e para a região P, respectivamente, e o deslocamento direcional do portador fotogerado gera fotocorrente. Este é o princípio básico do fotodetector de junção PN.
(3)Fotodetector PIN
O fotodiodo PIN é um material do tipo P e um material do tipo N entre a camada I, a camada I do material é geralmente um material intrínseco ou de 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, e o campo elétrico interno ou externo separa os pares elétron-buraco fotogerados na camada de depleção, e os portadores de carga desviados formam uma corrente no circuito externo. O papel desempenhado pela camada I é expandir a largura da camada de depleção, e a camada I se tornará completamente a camada de depleção sob uma grande tensão de polarização, e os pares elétron-buraco gerados serão rapidamente separados, de modo que a velocidade de resposta do fotodetector da junção PIN é geralmente mais rápida do que a do detector da junção PN. Os portadores fora da camada I também são coletados pela camada de depleção por meio do movimento de difusão, formando uma corrente de difusão. A espessura da camada I é geralmente muito fina e sua finalidade é melhorar a velocidade de resposta do detector.
(4)Fotodetector APDfotodiodo de avalanche
O mecanismo defotodiodo de avalancheé semelhante ao da junção PN. O fotodetector APD usa junção PN fortemente dopada, a tensão operacional baseada na detecção APD é grande, e quando uma grande polarização reversa é adicionada, a ionização de colisão e a multiplicação de avalanche ocorrerão dentro do APD, e o desempenho do detector é aumentado pela fotocorrente. Quando o APD está no modo de polarização reversa, o campo elétrico na camada de depleção será muito forte, e os portadores fotogerados gerados pela luz serão rapidamente separados e rapidamente derivam sob a ação do campo elétrico. Há uma probabilidade de que os elétrons colidam com a rede durante esse processo, fazendo com que os elétrons na rede sejam ionizados. Esse processo é repetido, 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 exclusivo dentro do APD que os detectores baseados em APD geralmente têm as características de velocidade de resposta rápida, grande ganho de valor de corrente e alta sensibilidade. Comparado com a junção PN e a junção PIN, o APD tem uma velocidade de resposta mais rápida, que é a velocidade de resposta 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 acima, e possui condutividade unidirecional com condução positiva e corte reverso. Quando um metal com alta função trabalho e um semicondutor com baixa função trabalho entram em contato, uma barreira Schottky é formada, e a junção resultante é uma junção Schottky. O mecanismo principal é um pouco 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 dos dois materiais, os elétrons no semicondutor se difundem para o lado metálico. Os elétrons difundidos acumulam-se continuamente em uma extremidade do metal, destruindo assim a neutralidade elétrica original do metal, formando um campo elétrico incorporado do semicondutor para o metal na superfície de contato. Os elétrons se deslocam sob a ação do campo elétrico interno, e a difusão e o movimento de deriva do portador são realizados simultaneamente, após um período de tempo para atingir o equilíbrio dinâmico e, finalmente, formar uma junção Schottky. Sob condições de luz, a região de barreira absorve luz diretamente e gera pares elétron-lacuna, enquanto os portadores fotogerados dentro da junção PN precisam passar pela região de difusão para alcançar a região de junção. Comparado à junção PN, o fotodetector baseado na junção Schottky tem uma velocidade de resposta mais rápida, podendo atingir o nível ns.
Horário da publicação: 13/08/2024