Type dedispositif photodétecteurstructure
Photodétecteurest un dispositif qui convertit le signal optique en signal électrique, sa structure et sa variété peuvent être principalement divisées dans les catégories suivantes :
(1) Photodétecteur photoconducteur
Lorsque les dispositifs photoconducteurs sont exposés à la lumière, les porteurs photogénérés augmentent leur conductivité et diminuent leur résistance. Les porteurs excités à température ambiante se déplacent de manière directionnelle sous l'action d'un champ électrique, générant ainsi un courant. Sous l'effet de la lumière, les électrons sont excités et une transition se produit. Simultanément, ils dérivent sous l'action d'un champ électrique pour former un photocourant. Les porteurs photogénérés ainsi obtenus augmentent la conductivité du dispositif et réduisent ainsi sa résistance. Les photodétecteurs photoconducteurs présentent généralement un gain élevé et une grande réactivité, mais ils ne peuvent pas réagir aux signaux optiques haute fréquence. Leur temps de réponse est donc lent, ce qui limite leur application à certains égards.
(2)Photodétecteur PN
Un photodétecteur PN est formé par le contact entre un matériau semi-conducteur de type P et un matériau semi-conducteur de type N. Avant le contact, les deux matériaux sont dans un état séparé. Le niveau de Fermi du semi-conducteur de type P est proche du bord de la bande de valence, tandis que celui du semi-conducteur de type N est proche du bord de la bande de conduction. Parallèlement, le niveau de Fermi du matériau de type N, situé au bord de la bande de conduction, est continuellement décalé vers le bas jusqu'à ce que le niveau de Fermi des deux matériaux soit au même niveau. Le changement de position des bandes de conduction et de valence s'accompagne également d'une courbure de la bande. La jonction PN est en équilibre et présente un niveau de Fermi uniforme. Du point de vue de l'analyse des porteurs de charge, la plupart des porteurs de charge des matériaux de type P sont des trous, tandis que ceux des matériaux de type N sont principalement des électrons. Lorsque les deux matériaux sont en contact, en raison de la différence de concentration en porteurs de charge, les électrons des matériaux de type N diffusent vers les matériaux de type P, tandis que les électrons des matériaux de type N diffusent dans la direction opposée aux trous. La zone non compensée laissée par la diffusion des électrons et des trous forme un champ électrique interne, lequel tend à la dérive des porteurs de charge, dont la direction est exactement opposée à celle de la diffusion. Cela signifie que la formation du champ électrique interne empêche la diffusion des porteurs de charge. Il y a diffusion et dérive à l'intérieur de la jonction PN jusqu'à ce que les deux types de mouvement soient équilibrés, de sorte que le flux statique de porteurs soit nul. Équilibre dynamique interne.
Lorsque la jonction PN est exposée à un rayonnement lumineux, l'énergie du photon est transférée au porteur, ce qui génère le porteur photogénéré, c'est-à-dire la paire électron-trou photogénérée. Sous l'action du champ électrique, l'électron et le trou dérivent respectivement vers les régions N et P, et la dérive directionnelle du porteur photogénéré génère un photocourant. C'est le principe de base du photodétecteur à jonction PN.
(3)Photodétecteur PIN
La photodiode PIN est un matériau de type P et de type N entre la couche I. La couche I est généralement un matériau intrinsèque ou faiblement dopé. Son mécanisme de fonctionnement est similaire à celui de la jonction PN : lorsque la jonction PIN est exposée à un rayonnement lumineux, le photon transfère de l'énergie à l'électron, générant des porteurs de charge photogénérés. Le champ électrique interne ou externe sépare les paires électron-trou photogénérées dans la couche d'appauvrissement, et les porteurs de charge dérivés forment un courant dans le circuit externe. Le rôle de la couche I est d'élargir la couche d'appauvrissement. Sous une tension de polarisation élevée, la couche I devient complètement la couche d'appauvrissement. Les paires électron-trou générées sont alors rapidement séparées. La vitesse de réponse du photodétecteur à jonction PIN est donc généralement plus rapide que celle du détecteur à jonction PN. Les porteurs extérieurs à la couche I sont également collectés par la couche d'appauvrissement par diffusion, formant un courant de diffusion. L'épaisseur de la couche I est généralement très fine et son but est d'améliorer la vitesse de réponse du détecteur.
(4)Photodétecteur APDphotodiode à avalanche
Le mécanisme dephotodiode à avalancheSimilaire à la jonction PN. Le photodétecteur APD utilise une jonction PN fortement dopée. La tension de fonctionnement basée sur la détection APD est élevée. Lorsqu'une forte polarisation inverse est ajoutée, une ionisation par collision et une multiplication par avalanche se produisent à l'intérieur de l'APD, ce qui augmente les performances du détecteur en termes de photocourant. En mode de polarisation inverse, le champ électrique dans la couche d'appauvrissement est très intense, et les porteurs photogénérés par la lumière se séparent et dérivent rapidement sous l'action du champ électrique. Il est possible que des électrons heurtent le réseau au cours de ce processus, provoquant leur ionisation. Ce processus se répète et les ions ionisés du réseau entrent également en collision avec celui-ci, augmentant le nombre de porteurs de charge dans l'APD, produisant ainsi un courant important. C'est ce mécanisme physique unique à l'intérieur de l'APD qui confère aux détecteurs basés sur APD les caractéristiques suivantes : une vitesse de réponse rapide, un gain de courant important et une sensibilité élevée. Comparé à la jonction PN et à la jonction PIN, l'APD a une vitesse de réponse plus rapide, qui est la vitesse de réponse la plus rapide parmi les tubes photosensibles actuels.
(5) Photodétecteur à jonction Schottky
La structure de base du photodétecteur à jonction Schottky est une diode Schottky, dont les caractéristiques électriques sont similaires à celles de la jonction PN décrite ci-dessus. Elle présente une conductivité unidirectionnelle avec conduction positive et coupure inverse. Lorsqu'un métal à travail de sortie élevé et un semi-conducteur à travail de sortie faible entrent en contact, une barrière Schottky se forme, donnant naissance à une jonction Schottky. Le mécanisme principal est similaire à celui de la jonction PN, par exemple pour les semi-conducteurs de type N : lorsque deux matériaux entrent en contact, en raison de leurs concentrations électroniques différentes, les électrons du semi-conducteur diffusent vers le côté métallique. Les électrons diffusés s'accumulent continuellement à une extrémité du métal, détruisant ainsi sa neutralité électrique initiale et formant un champ électrique interne entre le semi-conducteur et le métal à la surface de contact. Sous l'action du champ électrique interne, les électrons dérivent et les porteurs de charge se déplacent simultanément, atteignant après un certain temps l'équilibre dynamique et formant finalement une jonction Schottky. Sous l'effet de la lumière, la zone barrière absorbe directement la lumière et génère des paires électron-trou, tandis que les porteurs de charge photogénérés à l'intérieur de la jonction PN doivent traverser la zone de diffusion pour atteindre la jonction. Comparé à la jonction PN, le photodétecteur à jonction Schottky présente une vitesse de réponse plus rapide, pouvant même atteindre l'ordre de la ns.
Date de publication : 13 août 2024