Τύπος δομής συσκευής φωτοανιχνευτή

Τύποςσυσκευή φωτοανιχνευτήδομή
Φωτοανιχνευτήςείναι μια συσκευή που μετατρέπει οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό σήμα, η δομή και η ποικιλία της, μπορούν να χωριστούν κυρίως στις ακόλουθες κατηγορίες:
(1) Φωτοαγώγιμος φωτοανιχνευτής
Όταν οι φωτοαγώγιμες συσκευές εκτίθενται στο φως, ο φωτοπαραγόμενος φορέας αυξάνει την αγωγιμότητά τους και μειώνει την αντίστασή τους. Οι φορείς που διεγείρονται σε θερμοκρασία δωματίου κινούνται κατευθυντικά υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, παράγοντας έτσι ρεύμα. Υπό την επίδραση του φωτός, τα ηλεκτρόνια διεγείρονται και συμβαίνει μετάβαση. Ταυτόχρονα, παρασύρονται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου για να σχηματίσουν ένα φωτορεύμα. Οι προκύπτοντες φωτοπαραγόμενοι φορείς αυξάνουν την αγωγιμότητα της συσκευής και έτσι μειώνουν την αντίσταση. Οι φωτοαγώγιμοι φωτοανιχνευτές συνήθως εμφανίζουν υψηλό κέρδος και μεγάλη απόκριση στην απόδοση, αλλά δεν μπορούν να ανταποκριθούν σε οπτικά σήματα υψηλής συχνότητας, επομένως η ταχύτητα απόκρισης είναι αργή, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή των φωτοαγώγιμων συσκευών από ορισμένες απόψεις.

(2)Φωτοανιχνευτής PN
Ο φωτοανιχνευτής PN σχηματίζεται από την επαφή μεταξύ ημιαγωγικού υλικού τύπου P και ημιαγωγικού υλικού τύπου N. Πριν από τον σχηματισμό της επαφής, τα δύο υλικά βρίσκονται σε ξεχωριστή κατάσταση. Η στάθμη Fermi στον ημιαγωγό τύπου P είναι κοντά στην άκρη της ζώνης σθένους, ενώ η στάθμη Fermi στον ημιαγωγό τύπου N είναι κοντά στην άκρη της ζώνης αγωγιμότητας. Ταυτόχρονα, η στάθμη Fermi του υλικού τύπου N στην άκρη της ζώνης αγωγιμότητας μετατοπίζεται συνεχώς προς τα κάτω μέχρι η στάθμη Fermi των δύο υλικών να βρίσκεται στην ίδια θέση. Η αλλαγή της θέσης της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους συνοδεύεται επίσης από την κάμψη της ζώνης. Η σύνδεση PN βρίσκεται σε ισορροπία και έχει ομοιόμορφο επίπεδο Fermi. Από την άποψη της ανάλυσης φορέων φορτίου, οι περισσότεροι φορείς φορτίου στα υλικά τύπου P είναι οπές, ενώ οι περισσότεροι φορείς φορτίου στα υλικά τύπου N είναι ηλεκτρόνια. Όταν τα δύο υλικά βρίσκονται σε επαφή, λόγω της διαφοράς στη συγκέντρωση φορέων, τα ηλεκτρόνια στα υλικά τύπου N θα διαχέονται προς τον τύπο P, ενώ τα ηλεκτρόνια στα υλικά τύπου N θα διαχέονται προς την αντίθετη κατεύθυνση από τις οπές. Η μη αντισταθμισμένη περιοχή που απομένει από τη διάχυση ηλεκτρονίων και οπών θα σχηματίσει ένα ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο και το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο θα τείνει προς την μετατόπιση των φορέων και η κατεύθυνση της μετατόπισης είναι ακριβώς αντίθετη από την κατεύθυνση της διάχυσης, πράγμα που σημαίνει ότι ο σχηματισμός του ενσωματωμένου ηλεκτρικού πεδίου εμποδίζει τη διάχυση των φορέων και υπάρχει τόσο διάχυση όσο και μετατόπιση μέσα στην ένωση PN μέχρι να εξισορροπηθούν τα δύο είδη κίνησης, έτσι ώστε η στατική ροή φορέων να είναι μηδέν. Εσωτερική δυναμική ισορροπία.
Όταν η επαφή PN εκτίθεται σε φωτεινή ακτινοβολία, η ενέργεια του φωτονίου μεταφέρεται στον φορέα και παράγεται ο φωτοπαραγόμενος φορέας, δηλαδή το φωτοπαραγόμενο ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής. Υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου, το ηλεκτρόνιο και η οπή μετατοπίζονται προς την περιοχή N και την περιοχή P αντίστοιχα, και η κατευθυντική μετατόπιση του φωτοπαραγόμενου φορέα παράγει φωτορεύμα. Αυτή είναι η βασική αρχή του φωτοανιχνευτή επαφής PN.

(3)Φωτοανιχνευτής PIN
Η φωτοδίοδος Pin είναι ένα υλικό τύπου P και ένα υλικό τύπου N μεταξύ του στρώματος I, το στρώμα I του υλικού είναι γενικά ένα εγγενές ή υλικό χαμηλής πρόσμιξης. Ο μηχανισμός λειτουργίας του είναι παρόμοιος με την επαφή PN, όταν η επαφή PIN εκτίθεται σε φωτεινή ακτινοβολία, το φωτόνιο μεταφέρει ενέργεια στο ηλεκτρόνιο, δημιουργώντας φωτογεννημένους φορείς φορτίου, και το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο ή το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο θα διαχωρίσει τα φωτογεννημένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών στο στρώμα εξάντλησης, και οι μετατοπισμένοι φορείς φορτίου θα σχηματίσουν ένα ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα. Ο ρόλος που παίζει το στρώμα I είναι να επεκτείνει το πλάτος του στρώματος εξάντλησης, και το στρώμα I θα γίνει πλήρως το στρώμα εξάντλησης υπό μεγάλη τάση πόλωσης, και τα παραγόμενα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών θα διαχωριστούν γρήγορα, έτσι η ταχύτητα απόκρισης του φωτοανιχνευτή επαφής PIN είναι γενικά ταχύτερη από αυτή του ανιχνευτή επαφής PN. Οι φορείς εκτός του στρώματος I συλλέγονται επίσης από το στρώμα εξάντλησης μέσω κίνησης διάχυσης, σχηματίζοντας ένα ρεύμα διάχυσης. Το πάχος του στρώματος I είναι γενικά πολύ λεπτό και ο σκοπός του είναι να βελτιώσει την ταχύτητα απόκρισης του ανιχνευτή.

(4)Φωτοανιχνευτής APDφωτοδίοδος χιονοστιβάδας
Ο μηχανισμός τουφωτοδίοδος χιονοστιβάδαςείναι παρόμοιο με αυτό της επαφής PN. Ο φωτοανιχνευτής APD χρησιμοποιεί έντονα ντοπαρισμένη επαφή PN, η τάση λειτουργίας που βασίζεται στην ανίχνευση APD είναι μεγάλη και όταν προστίθεται μεγάλη αντίστροφη πόλωση, θα συμβεί ιονισμός σύγκρουσης και πολλαπλασιασμός χιονοστιβάδας μέσα στο APD και η απόδοση του ανιχνευτή αυξάνεται. Όταν το APD βρίσκεται σε λειτουργία αντίστροφης πόλωσης, το ηλεκτρικό πεδίο στο στρώμα εξάντλησης θα είναι πολύ ισχυρό και οι φωτοπαραγόμενοι φορείς που παράγονται από το φως θα διαχωριστούν γρήγορα και θα παρασυρθούν γρήγορα υπό τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου. Υπάρχει πιθανότητα τα ηλεκτρόνια να προσκρούσουν στο πλέγμα κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, προκαλώντας ιονισμό των ηλεκτρονίων στο πλέγμα. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται και τα ιονισμένα ιόντα στο πλέγμα συγκρούονται επίσης με το πλέγμα, προκαλώντας αύξηση του αριθμού των φορέων φορτίου στο APD, με αποτέλεσμα ένα μεγάλο ρεύμα. Αυτός ο μοναδικός φυσικός μηχανισμός μέσα στο APD είναι που οι ανιχνευτές που βασίζονται σε APD έχουν γενικά τα χαρακτηριστικά της γρήγορης ταχύτητας απόκρισης, του μεγάλου κέρδους ρεύματος και της υψηλής ευαισθησίας. Σε σύγκριση με την επαφή PN και την επαφή PIN, το APD έχει μεγαλύτερη ταχύτητα απόκρισης, η οποία είναι η μεγαλύτερη ταχύτητα απόκρισης μεταξύ των σημερινών φωτοευαίσθητων λυχνιών.

(5) Φωτοανιχνευτής σύνδεσης Schottky
Η βασική δομή του φωτοανιχνευτή σύνδεσης Schottky είναι μια δίοδος Schottky, της οποίας τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά είναι παρόμοια με αυτά της σύνδεσης PN που περιγράφηκε παραπάνω, και έχει μονοκατευθυντική αγωγιμότητα με θετική αγωγιμότητα και αντίστροφη αποκοπή. Όταν ένα μέταλλο με υψηλή συνάρτηση έργου και ένας ημιαγωγός με χαμηλή συνάρτηση έργου σχηματίζουν επαφή, σχηματίζεται ένα φράγμα Schottky και η προκύπτουσα σύνδεση είναι μια σύνδεση Schottky. Ο κύριος μηχανισμός είναι κάπως παρόμοιος με τη σύνδεση PN, λαμβάνοντας ως παράδειγμα τους ημιαγωγούς τύπου Ν, όταν δύο υλικά σχηματίζουν επαφή, λόγω των διαφορετικών συγκεντρώσεων ηλεκτρονίων των δύο υλικών, τα ηλεκτρόνια στον ημιαγωγό θα διαχέονται προς την πλευρά του μετάλλου. Τα διαχυμένα ηλεκτρόνια συσσωρεύονται συνεχώς στο ένα άκρο του μετάλλου, καταστρέφοντας έτσι την αρχική ηλεκτρική ουδετερότητα του μετάλλου, σχηματίζοντας ένα ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο από τον ημιαγωγό στο μέταλλο στην επιφάνεια επαφής, και τα ηλεκτρόνια θα παρασύρονται υπό τη δράση του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, και η διάχυση και η κίνηση ολίσθησης του φορέα θα πραγματοποιούνται ταυτόχρονα, μετά από ένα χρονικό διάστημα για να επιτευχθεί δυναμική ισορροπία, και τελικά να σχηματιστεί μια σύνδεση Schottky. Υπό συνθήκες φωτισμού, η περιοχή φραγμού απορροφά άμεσα το φως και παράγει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, ενώ οι φωτοπαραγόμενοι φορείς εντός της επαφής PN πρέπει να περάσουν από την περιοχή διάχυσης για να φτάσουν στην περιοχή επαφής. Σε σύγκριση με την επαφή PN, ο φωτοανιχνευτής που βασίζεται στην επαφή Schottky έχει μεγαλύτερη ταχύτητα απόκρισης, η οποία μπορεί να φτάσει ακόμη και το επίπεδο των ns.