Jenisperanti fotodetektorstruktur
Pengesan fotoialah peranti yang menukar isyarat optik kepada isyarat elektrik, struktur dan kepelbagaiannya, boleh dibahagikan terutamanya kepada kategori berikut:
(1) Pengesan fotokonduktif
Apabila peranti fotokonduktif terdedah kepada cahaya, pembawa fotojana meningkatkan kekonduksiannya dan mengurangkan rintangannya. Pembawa yang teruja pada suhu bilik bergerak secara berarah di bawah tindakan medan elektrik, sekali gus menghasilkan arus. Di bawah keadaan cahaya, elektron teruja dan peralihan berlaku. Pada masa yang sama, ia hanyut di bawah tindakan medan elektrik untuk membentuk arus foto. Pembawa fotojana yang terhasil meningkatkan kekonduksian peranti dan dengan itu mengurangkan rintangan. Pengesan fotokonduktif biasanya menunjukkan gandaan yang tinggi dan daya tindak balas yang hebat dalam prestasi, tetapi ia tidak dapat bertindak balas terhadap isyarat optik frekuensi tinggi, jadi kelajuan tindak balas adalah perlahan, yang mengehadkan penggunaan peranti fotokonduktif dalam beberapa aspek.
(2)Pengesan foto PN
Fotodetektor PN dibentuk melalui sentuhan antara bahan semikonduktor jenis-P dan bahan semikonduktor jenis-N. Sebelum sentuhan terbentuk, kedua-dua bahan berada dalam keadaan berasingan. Aras Fermi dalam semikonduktor jenis-P adalah berhampiran dengan tepi jalur valens, manakala aras Fermi dalam semikonduktor jenis-N adalah berhampiran dengan tepi jalur konduksi. Pada masa yang sama, aras Fermi bahan jenis-N di tepi jalur konduksi dialihkan secara berterusan ke bawah sehingga aras Fermi kedua-dua bahan berada pada kedudukan yang sama. Perubahan kedudukan jalur konduksi dan jalur valens juga disertai dengan lenturan jalur tersebut. Simpang PN berada dalam keseimbangan dan mempunyai aras Fermi yang seragam. Dari aspek analisis pembawa cas, kebanyakan pembawa cas dalam bahan jenis-P adalah lubang, manakala kebanyakan pembawa cas dalam bahan jenis-N adalah elektron. Apabila kedua-dua bahan bersentuhan, disebabkan oleh perbezaan kepekatan pembawa, elektron dalam bahan jenis-N akan meresap ke jenis-P, manakala elektron dalam bahan jenis-N akan meresap ke arah yang bertentangan dengan lubang. Kawasan yang tidak terkompensasi yang ditinggalkan oleh resapan elektron dan lubang akan membentuk medan elektrik terbina dalam, dan medan elektrik terbina dalam akan mengalami hanyutan pembawa, dan arah hanyutan adalah bertentangan dengan arah resapan, yang bermaksud bahawa pembentukan medan elektrik terbina dalam menghalang resapan pembawa, dan terdapat kedua-dua resapan dan hanyutan di dalam simpang PN sehingga kedua-dua jenis gerakan seimbang, supaya aliran pembawa statik adalah sifar. Keseimbangan dinamik dalaman.
Apabila simpang PN terdedah kepada sinaran cahaya, tenaga foton dipindahkan ke pembawa, dan pembawa fotojana, iaitu pasangan elektron-lubang fotojana, dijana. Di bawah tindakan medan elektrik, elektron dan lubang masing-masing hanyut ke kawasan N dan kawasan P, dan hanyutan arah pembawa fotojana menghasilkan arus foto. Ini adalah prinsip asas pengesan foto simpang PN.
(3)Pengesan foto PIN
Fotodiod pin ialah bahan jenis-P dan bahan jenis-N di antara lapisan I, lapisan I bahan tersebut secara amnya merupakan bahan intrinsik atau bahan doping rendah. Mekanisme kerjanya serupa dengan simpang PN, apabila simpang PIN terdedah kepada sinaran cahaya, foton memindahkan tenaga kepada elektron, menghasilkan pembawa cas fotojana, dan medan elektrik dalaman atau medan elektrik luaran akan memisahkan pasangan elektron-lubang fotojana dalam lapisan susutan, dan pembawa cas hanyut akan membentuk arus dalam litar luaran. Peranan yang dimainkan oleh lapisan I adalah untuk mengembangkan lebar lapisan susutan, dan lapisan I akan menjadi lapisan susutan sepenuhnya di bawah voltan bias yang besar, dan pasangan elektron-lubang yang dihasilkan akan dipisahkan dengan cepat, jadi kelajuan tindak balas pengesan foto simpang PIN secara amnya lebih cepat daripada pengesan simpang PN. Pembawa di luar lapisan I juga dikumpulkan oleh lapisan susutan melalui gerakan resapan, membentuk arus resapan. Ketebalan lapisan I secara amnya sangat nipis, dan tujuannya adalah untuk meningkatkan kelajuan tindak balas pengesan.
(4)Pengesan foto APDfotodiod runtuhan salji
Mekanismefotodiod runtuhan saljiadalah serupa dengan simpang PN. Pengesan foto APD menggunakan simpang PN yang didop tinggi, voltan operasi berdasarkan pengesanan APD adalah besar, dan apabila bias terbalik yang besar ditambah, pengionan perlanggaran dan pendaraban runtuhan salji akan berlaku di dalam APD, dan prestasi pengesan akan meningkat arus foto. Apabila APD berada dalam mod bias terbalik, medan elektrik dalam lapisan susutan akan menjadi sangat kuat, dan pembawa fotojana yang dihasilkan oleh cahaya akan dipisahkan dengan cepat dan hanyut dengan cepat di bawah tindakan medan elektrik. Terdapat kebarangkalian bahawa elektron akan melanggar kekisi semasa proses ini, menyebabkan elektron dalam kekisi terionisasi. Proses ini diulang, dan ion terionisasi dalam kekisi juga berlanggar dengan kekisi, menyebabkan bilangan pembawa cas dalam APD meningkat, menghasilkan arus yang besar. Mekanisme fizikal unik di dalam APD inilah yang pengesan berasaskan APD secara amnya mempunyai ciri-ciri kelajuan tindak balas yang pantas, perolehan nilai arus yang besar dan kepekaan yang tinggi. Berbanding dengan simpang PN dan simpang PIN, APD mempunyai kelajuan tindak balas yang lebih pantas, yang merupakan kelajuan tindak balas terpantas di antara tiub fotosensitif arus.
(5) Pengesan foto simpang Schottky
Struktur asas pengesan foto simpang Schottky ialah diod Schottky, yang ciri-ciri elektriknya serupa dengan simpang PN yang diterangkan di atas, dan ia mempunyai kekonduksian unidirectional dengan konduksi positif dan pemotongan songsang. Apabila logam dengan fungsi kerja yang tinggi dan semikonduktor dengan fungsi kerja yang rendah membentuk sentuhan, penghalang Schottky terbentuk, dan simpang yang terhasil ialah simpang Schottky. Mekanisme utama agak serupa dengan simpang PN, dengan mengambil semikonduktor jenis-N sebagai contoh, apabila dua bahan membentuk sentuhan, disebabkan oleh kepekatan elektron yang berbeza bagi kedua-dua bahan, elektron dalam semikonduktor akan meresap ke bahagian logam. Elektron yang meresap terkumpul secara berterusan pada satu hujung logam, sekali gus memusnahkan peneutralan elektrik asal logam, membentuk medan elektrik terbina dalam dari semikonduktor ke logam pada permukaan sentuhan, dan elektron akan hanyut di bawah tindakan medan elektrik dalaman, dan gerakan resapan dan hanyut pembawa akan dijalankan secara serentak, selepas tempoh masa tertentu untuk mencapai keseimbangan dinamik, dan akhirnya membentuk simpang Schottky. Di bawah keadaan cahaya, kawasan penghalang menyerap cahaya secara langsung dan menghasilkan pasangan elektron-lubang, manakala pembawa fotojana di dalam simpang PN perlu melalui kawasan resapan untuk sampai ke kawasan simpang. Berbanding dengan simpang PN, fotopengesan berdasarkan simpang Schottky mempunyai kelajuan tindak balas yang lebih pantas, dan kelajuan tindak balas juga boleh mencapai tahap ns.
Masa siaran: 13 Ogos 2024