Type dedispositif photodétecteurstructure
Photodétecteurest un appareil qui convertit le signal optique en signal électrique, sa structure et sa variété, peut être principalement divisé dans les catégories suivantes :
(1) Photodétecteur photoconducteur
Lorsque les dispositifs photoconducteurs sont exposés à la lumière, le support photogénéré augmente leur conductivité et diminue 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. En même temps, ils dérivent sous l’action d’un champ électrique pour former un photocourant. Les porteurs photogénérés résultants augmentent la conductivité du dispositif et réduisent ainsi la résistance. Les photodétecteurs photoconducteurs présentent généralement un gain élevé et une grande réactivité en termes de performances, mais ils ne peuvent pas répondre aux signaux optiques haute fréquence, de sorte que la vitesse de réponse est lente, ce qui limite l'application des dispositifs photoconducteurs sous certains aspects.
(2)Photodétecteur PN
Le photodétecteur PN est formé par le contact entre un matériau semi-conducteur de type P et un matériau semi-conducteur de type N. Avant que le contact ne soit établi, les deux matériaux sont dans un état distinct. Le niveau de Fermi dans un semi-conducteur de type P est proche du bord de la bande de valence, tandis que le niveau de Fermi dans un semi-conducteur de type N est proche du bord de la bande de conduction. Dans le même temps, le niveau de Fermi du matériau de type N au bord de la bande de conduction est continuellement déplacé vers le bas jusqu'à ce que le niveau de Fermi des deux matériaux soit dans la même position. Le changement de position de la bande de conduction et de la bande de valence s'accompagne également de la 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 dans les matériaux de type P sont des trous, tandis que la plupart des porteurs de charge dans les matériaux de type N sont des électrons. Lorsque les deux matériaux sont en contact, en raison de la différence de concentration de porteurs, les électrons des matériaux de type N diffuseront vers le type P, tandis que les électrons des matériaux de type N diffuseront dans la direction opposée aux trous. La zone non compensée laissée par la diffusion des électrons et des trous formera un champ électrique intégré, et le champ électrique intégré entraînera une dérive des porteurs, et la direction de la dérive est juste opposée à la direction de diffusion, ce qui signifie que le la formation du champ électrique intégré empêche la diffusion des porteurs, et il y a à la fois 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. Equilibre dynamique interne.
Lorsque la jonction PN est exposée à un rayonnement lumineux, l'énergie du photon est transférée au porteur et le porteur photogénéré, c'est-à-dire la paire électron-trou photogénérée, est généré. Sous l'action du champ électrique, l'électron et le trou dérivent respectivement vers la région N et la région 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 à broches est un matériau de type P et un matériau de type N entre la couche I, la couche I du matériau est généralement un matériau intrinsèque ou faiblement dopé. Son mécanisme de fonctionnement est similaire à 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, et le champ électrique interne ou le champ électrique externe séparera le trou électronique photogénéré. des paires dans la couche d'appauvrissement, et les porteurs de charge dérivés formeront un courant dans le circuit externe. Le rôle joué par la couche I est d'élargir la largeur de la couche d'appauvrissement, et la couche I deviendra complètement la couche d'appauvrissement sous une tension de polarisation élevée, et les paires électron-trou générées seront rapidement séparées, donc la vitesse de réponse du Le photodétecteur à jonction PIN est généralement plus rapide que celui du détecteur à jonction PN. Les porteurs en dehors de la couche I sont également collectés par la couche d'appauvrissement par mouvement de 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 avalancheest similaire à celui de la jonction PN. Le photodétecteur APD utilise une jonction PN fortement dopée, la tension de fonctionnement basée sur la détection APD est élevée, et lorsqu'une polarisation inverse importante est ajoutée, une ionisation de collision et une multiplication d'avalanche se produiront à l'intérieur de l'APD, et les performances du détecteur augmenteront le photocourant. Lorsque l'APD est en mode polarisation inverse, le champ électrique dans la couche d'appauvrissement sera très fort et les porteurs photogénérés générés par la lumière seront rapidement séparés et dériveront rapidement sous l'action du champ électrique. Il existe une probabilité que des électrons heurtent le réseau au cours de ce processus, provoquant ainsi l’ionisation des électrons du réseau. Ce processus est répété et les ions ionisés dans le réseau entrent également en collision avec le réseau, provoquant une augmentation du nombre de porteurs de charge dans l'APD, entraînant un courant important. C'est ce mécanisme physique unique à l'intérieur de l'APD qui permet aux détecteurs basés sur l'APD de présenter généralement les caractéristiques d'une vitesse de réponse rapide, d'un gain de valeur de courant important et d'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, et présente une conductivité unidirectionnelle avec conduction positive et coupure inverse. Lorsqu'un métal avec un travail de travail élevé et un semi-conducteur avec un travail de travail faible entrent en contact, une barrière Schottky se forme et la jonction résultante est une jonction Schottky. Le mécanisme principal est quelque peu similaire à la jonction PN, en prenant comme exemple les semi-conducteurs de type N, lorsque deux matériaux entrent en contact, en raison des concentrations électroniques différentes des deux matériaux, les électrons du semi-conducteur se diffusent vers le côté métallique. Les électrons diffusés s'accumulent continuellement à une extrémité du métal, détruisant ainsi la neutralité électrique originale du métal, formant un champ électrique intégré du semi-conducteur au métal sur la surface de contact, et les électrons dériveront sous l'action du Le champ électrique interne, ainsi que le mouvement de diffusion et de dérive du porteur seront effectués simultanément, après un certain temps pour atteindre l'équilibre dynamique, et formeront finalement une jonction Schottky. Dans des conditions de lumière, la région barrière absorbe directement la lumière et génère des paires électron-trou, tandis que les porteurs photogénérés à l'intérieur de la jonction PN doivent traverser la région de diffusion pour atteindre la région de jonction. Comparé à la jonction PN, le photodétecteur basé sur la jonction Schottky a une vitesse de réponse plus rapide, et la vitesse de réponse peut même atteindre le niveau ns.
Heure de publication : 13 août 2024