Type dedispositif photodétecteurstructure
photodétecteurest un dispositif qui convertit un signal optique en signal électrique, sa structure et sa variété peuvent être principalement divisées dans les catégories suivantes :
(1) Photodétecteur photoconducteur
Lorsqu'ils sont exposés à la lumière, les dispositifs photoconducteurs voient leur conductivité augmenter grâce aux porteurs de charge photogénérés, ce qui diminue leur résistance. Sous l'effet d'un champ électrique, ces porteurs, excités à température ambiante, se déplacent de manière directionnelle, générant ainsi un courant. Sous l'effet de la lumière, les électrons sont excités et subissent une transition de phase. Simultanément, leur déplacement sous l'action du champ électrique crée un photocourant. Les porteurs de charge photogénérés ainsi obtenus augmentent la conductivité du dispositif et réduisent sa résistance. Les photodétecteurs photoconducteurs présentent généralement un gain élevé et une excellente réactivité, mais leur insensibilité aux signaux optiques haute fréquence limite leur temps de réponse, ce qui restreint leurs applications dans certains domaines.
(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 la formation du contact, les deux matériaux sont dans des états distincts. 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. Simultanément, le niveau de Fermi du matériau de type N, initialement situé au bord de la bande de conduction, se déplace continuellement vers le bas jusqu'à ce que les niveaux de Fermi des deux matériaux soient au même niveau. Ce déplacement des bandes de conduction et de valence s'accompagne d'une courbure de ces bandes. La jonction PN est à l'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 le matériau de type P sont des trous, tandis que la plupart des porteurs de charge dans le matériau de type N sont des électrons. Lorsque deux matériaux sont en contact, la différence de concentration de porteurs provoque la diffusion des électrons du matériau de type N vers le matériau de type P, tandis que les électrons du matériau de type N diffusent en sens inverse des trous. La zone non compensée par cette diffusion génère un champ électrique interne, lequel induit une dérive des porteurs dans le sens opposé à celui de la diffusion. Ainsi, la formation de ce champ électrique interne freine la diffusion des porteurs. Au sein de la jonction PN, diffusion et dérive coexistent jusqu'à ce que ces deux phénomènes s'équilibrent, atteignant un flux de porteurs statique nul.
Lorsqu'une jonction PN est exposée à un rayonnement lumineux, l'énergie du photon est transférée aux porteurs de charge, générant ainsi des paires électron-trou. Sous l'action du champ électrique, les électrons et les trous migrent respectivement vers les régions N et P, et ce déplacement directionnel des porteurs de charge photogénérés induit un photocourant. C'est le principe de base d'un photodétecteur à jonction PN.
(3)photodétecteur PIN
Une photodiode PIN est constituée d'une couche I, généralement en matériau intrinsèque ou faiblement dopé, intercalée entre un matériau de type P et un matériau de type N. Son mécanisme de fonctionnement est similaire à celui d'une jonction PN : lorsqu'elle est exposée à un rayonnement lumineux, les photons cèdent leur énergie aux électrons, générant ainsi des porteurs de charge photogénérés. Un champ électrique interne ou externe provoque la séparation de ces paires électron-trou dans la zone de déplétion, et les porteurs de charge ainsi libérés forment un courant dans le circuit externe. Le rôle de la couche I est d'élargir la zone de déplétion. Sous une tension de polarisation élevée, la couche I devient entièrement une zone de déplétion, ce qui accélère la séparation des paires électron-trou. Par conséquent, la vitesse de réponse d'un photodétecteur à jonction PIN est généralement supérieure à celle d'un photodétecteur à jonction PN. Les porteurs situés à l'extérieur de la couche I sont également collectés par la zone de déplétion par diffusion, formant un courant de diffusion. L'épaisseur de la couche I est généralement très mince, et son but est d'améliorer la vitesse de réponse du détecteur.
(4)photodétecteur APDphotodiode à avalanche
Le mécanisme dephotodiode à avalancheLe fonctionnement est similaire à celui d'une 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 appliquée, une ionisation par collision et une multiplication par avalanche se produisent au sein de l'APD, ce qui augmente le photocourant. En polarisation inverse, le champ électrique dans la zone de déplétion est très intense. Les porteurs photogénérés par la lumière sont rapidement séparés et se déplacent sous l'effet de ce champ. Il est probable que des électrons entrent en collision avec le réseau cristallin lors de ce processus, ionisant ainsi les électrons du réseau. 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 et générant un courant important. C'est ce mécanisme physique unique qui confère aux détecteurs APD leur rapidité de réponse, leur gain en courant élevé et leur haute sensibilité. Comparée aux jonctions PN et PIN, l'APD possède 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 d'un photodétecteur à jonction Schottky est celle d'une diode Schottky, dont les caractéristiques électriques sont similaires à celles d'une jonction PN décrite précédemment. Elle présente une conductivité unidirectionnelle, avec une conduction positive et un blocage en inverse. Lorsqu'un métal à fonction de travail élevée et un semi-conducteur à fonction de travail faible entrent en contact, une barrière Schottky se forme, donnant naissance à une jonction Schottky. Le mécanisme principal est comparable à celui d'une jonction PN. Prenons l'exemple des semi-conducteurs de type N : lors du contact entre deux matériaux, la différence de concentration électronique induit une diffusion des électrons du semi-conducteur vers le métal. Les électrons diffusés s'accumulent continuellement à une extrémité du métal, rompant ainsi sa neutralité électrique initiale et créant un champ électrique interne entre le semi-conducteur et le métal à la surface de contact. Sous l'effet de ce champ, les électrons dérivent, et leur diffusion et leur dérive s'effectuent simultanément. Après un certain temps, un équilibre dynamique est atteint, formant finalement une jonction Schottky. Sous l'effet de la 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 jonction. Comparé à une jonction PN, le photodétecteur à jonction Schottky présente une vitesse de réponse plus rapide, pouvant atteindre l'ordre de la nanoseconde.
Date de publication : 13 août 2024