Fotodedektör cihaz yapısının türü

Türüfotodedektör cihazıyapı
FotodedektörOptik sinyali elektrik sinyaline dönüştüren bir cihazdır; yapısı ve çeşitliliği bakımından başlıca aşağıdaki kategorilere ayrılabilir:
(1) Fotokondüktif fotodedektör
Fotokondüktif cihazlar ışığa maruz kaldığında, fotogenerasyon yoluyla oluşan taşıyıcılar iletkenliklerini artırır ve dirençlerini azaltır. Oda sıcaklığında uyarılmış taşıyıcılar, elektrik alanın etkisi altında yönlü bir şekilde hareket ederek akım oluştururlar. Işık koşullarında elektronlar uyarılır ve geçiş gerçekleşir. Aynı zamanda, elektrik alanın etkisi altında sürüklenerek fotoakım oluştururlar. Ortaya çıkan fotogenerasyon yoluyla oluşan taşıyıcılar, cihazın iletkenliğini artırır ve böylece direnci azaltır. Fotokondüktif fotodedektörler genellikle yüksek kazanç ve yüksek tepki hızı gösterirler, ancak yüksek frekanslı optik sinyallere yanıt veremezler, bu nedenle tepki hızı yavaştır ve bu da fotokondüktif cihazların bazı alanlardaki uygulamalarını sınırlar.

(2)PN fotodedektörü
PN fotodedektör, P tipi yarı iletken malzeme ile N tipi yarı iletken malzeme arasındaki temasla oluşturulur. Temas kurulmadan önce, iki malzeme ayrı bir durumdadır. P tipi yarı iletkenin Fermi seviyesi değerlik bandının kenarına yakınken, N tipi yarı iletkenin Fermi seviyesi iletim bandının kenarına yakındır. Aynı zamanda, iletim bandının kenarındaki N tipi malzemenin Fermi seviyesi, iki malzemenin Fermi seviyesi aynı konuma gelene kadar sürekli olarak aşağı doğru kaydırılır. İletim bandı ve değerlik bandının konumundaki değişim, bantın bükülmesiyle de birlikte gerçekleşir. PN eklemi dengededir ve tekdüze bir Fermi seviyesine sahiptir. Yük taşıyıcı analizi açısından bakıldığında, P tipi malzemelerdeki yük taşıyıcılarının çoğu delik iken, N tipi malzemelerdeki yük taşıyıcılarının çoğu elektrondur. İki malzeme temas halindeyken, taşıyıcı konsantrasyonundaki farklılık nedeniyle, N tipi malzemelerdeki elektronlar P tipine doğru yayılırken, N tipi malzemelerdeki elektronlar da deliklere doğru ters yönde yayılır. Elektron ve deliklerin yayılmasıyla oluşan dengelenmemiş alan, dahili bir elektrik alanı oluşturur ve bu dahili elektrik alanı taşıyıcı sürüklenmesini yönlendirir. Sürüklenme yönü, yayılma yönünün tam tersidir; bu da dahili elektrik alanının oluşmasının taşıyıcıların yayılmasını engellediği anlamına gelir. PN ekleminde, statik taşıyıcı akışı sıfır olana kadar hem yayılma hem de sürüklenme gerçekleşir. İç dinamik denge sağlanır.
PN eklemi ışık radyasyonuna maruz kaldığında, fotonun enerjisi taşıyıcıya aktarılır ve fotogenerasyonla oluşan taşıyıcı, yani fotogenerasyonla oluşan elektron-delik çifti üretilir. Elektrik alanın etkisi altında, elektron ve delik sırasıyla N bölgesine ve P bölgesine doğru hareket eder ve fotogenerasyonla oluşan taşıyıcının yönlü hareketi fotoakım üretir. Bu, PN eklemi fotodedektörünün temel prensibidir.

(3)PIN fotodedektörü
PIN fotodiyot, I katmanı arasına P tipi ve N tipi malzeme yerleştirilerek oluşturulur; I katmanı genellikle doğal veya düşük katkılı bir malzemedir. Çalışma mekanizması PN ​​eklemine benzer; PIN eklemi ışık radyasyonuna maruz kaldığında, foton enerjiyi elektrona aktararak fotogenerasyonlu yük taşıyıcıları oluşturur ve iç veya dış elektrik alanı, fotogenerasyonlu elektron-delik çiftlerini tükenme katmanında ayırır ve sürüklenen yük taşıyıcıları dış devrede bir akım oluşturur. I katmanının rolü, tükenme katmanının genişliğini artırmaktır ve I katmanı büyük bir önyargı voltajı altında tamamen tükenme katmanı haline gelir ve oluşan elektron-delik çiftleri hızla ayrılır, bu nedenle PIN eklem fotodedektörünün tepki hızı genellikle PN eklem dedektöründen daha hızlıdır. I katmanının dışındaki taşıyıcılar da difüzyon hareketi yoluyla tükenme katmanı tarafından toplanarak bir difüzyon akımı oluşturur. İyot tabakasının kalınlığı genellikle çok incedir ve amacı dedektörün tepki hızını artırmaktır.

(4)APD fotodedektörçığ fotodiyodu
Mekanizmanınçığ fotodiyoduPN eklemine benzer bir yapıya sahiptir. APD fotodedektörleri, yüksek oranda katkılı PN eklemleri kullanır; APD algılamasına dayalı çalışma voltajı yüksektir ve büyük bir ters polarizasyon eklendiğinde, APD içinde çarpışma iyonizasyonu ve çığ çoğalması meydana gelir ve dedektörün performansı artar, fotoakım yükselir. APD ters polarizasyon modundayken, tükenme katmanındaki elektrik alanı çok güçlü olur ve ışık tarafından üretilen fotoyaratılan taşıyıcılar hızla ayrılır ve elektrik alanının etkisi altında hızla sürüklenir. Bu süreçte elektronların kafese çarpma olasılığı vardır, bu da kafesteki elektronların iyonlaşmasına neden olur. Bu süreç tekrarlanır ve kafesteki iyonlaşmış iyonlar da kafesle çarpışarak APD'deki yük taşıyıcılarının sayısının artmasına ve büyük bir akım oluşmasına neden olur. APD tabanlı dedektörlerin genellikle hızlı tepki hızı, büyük akım değeri kazancı ve yüksek hassasiyet özelliklerine sahip olmasının nedeni, APD içindeki bu eşsiz fiziksel mekanizmadır. PN ve PIN bağlantılarına kıyasla, APD daha hızlı tepki hızına sahiptir ve mevcut ışığa duyarlı tüpler arasında en hızlı tepki hızına sahip olanıdır.

(5) Schottky bağlantılı fotodedektör
Schottky eklem fotodedektörünün temel yapısı, yukarıda açıklanan PN eklemine benzer elektriksel özelliklere sahip bir Schottky diyotudur ve pozitif iletim ve ters kesme ile tek yönlü iletkenliğe sahiptir. Yüksek iş fonksiyonlu bir metal ile düşük iş fonksiyonlu bir yarı iletken temas ettiğinde, bir Schottky bariyeri oluşur ve ortaya çıkan eklem bir Schottky eklemidir. Ana mekanizma, N tipi yarı iletkenleri örnek alarak, PN eklemine biraz benzerdir; iki malzeme temas ettiğinde, iki malzemenin farklı elektron konsantrasyonları nedeniyle, yarı iletkendeki elektronlar metal tarafına doğru yayılır. Yayılan elektronlar metalin bir ucunda sürekli olarak birikir, böylece metalin orijinal elektriksel nötrlüğünü bozar, temas yüzeyinde yarı iletkenden metale doğru dahili bir elektrik alanı oluşturur ve elektronlar bu iç elektrik alanının etkisi altında sürüklenir; taşıyıcıların difüzyon ve sürüklenme hareketi eş zamanlı olarak gerçekleşir, bir süre sonra dinamik dengeye ulaşılır ve sonunda bir Schottky eklemi oluşur. Işık koşullarında, bariyer bölgesi doğrudan ışığı emer ve elektron-delik çiftleri oluştururken, PN eklemi içindeki fotoyaratılan taşıyıcıların eklem bölgesine ulaşmak için difüzyon bölgesinden geçmesi gerekir. PN eklemine kıyasla, Schottky eklemine dayalı fotodedektör daha hızlı tepki hızına sahiptir ve tepki hızı nanosaniye seviyesine bile ulaşabilir.