Tipo didispositivo fotodiodostruttura
Fotodiodoè un dispositivo che converte il segnale ottico in segnale elettrico, la sua struttura e varietà possono essere principalmente suddivise nelle seguenti categorie:
(1) Fotodetettore fotoconduttivo
Quando i dispositivi fotoconduttivi vengono esposti alla luce, il portante fotogenerato aumenta la loro conduttività e ne diminuisce la resistenza. I portatori eccitati a temperatura ambiente si muovono in modo direzionale sotto l'azione di un campo elettrico, generando così una corrente. In condizioni di luce, gli elettroni vengono eccitati e si verifica una transizione. Allo stesso tempo, si muovono sotto l'azione di un campo elettrico per formare una fotocorrente. I portatori fotogenerati risultanti aumentano la conduttività del dispositivo e quindi ne riducono la resistenza. I fotorivelatori fotoconduttivi mostrano solitamente un guadagno elevato e un'ottima reattività, ma non possono rispondere a segnali ottici ad alta frequenza, quindi la velocità di risposta è lenta, il che limita l'applicazione dei dispositivi fotoconduttivi sotto alcuni aspetti.
(2)Fotodiodo PN
Il fotorivelatore PN si forma tramite il contatto tra un materiale semiconduttore di tipo P e un materiale semiconduttore di tipo N. Prima che il contatto si formi, i due materiali si trovano in uno stato separato. Il livello di Fermi nel semiconduttore di tipo P è prossimo al limite della banda di valenza, mentre il livello di Fermi nel semiconduttore di tipo N è prossimo al limite della banda di conduzione. Allo stesso tempo, il livello di Fermi del materiale di tipo N, al limite della banda di conduzione, viene continuamente spostato verso il basso fino a quando il livello di Fermi dei due materiali non si trova nella stessa posizione. Il cambiamento di posizione della banda di conduzione e della banda di valenza è accompagnato anche dalla curvatura della banda. La giunzione PN è in equilibrio e presenta un livello di Fermi uniforme. Dal punto di vista dell'analisi dei portatori di carica, la maggior parte dei portatori di carica nei materiali di tipo P sono lacune, mentre la maggior parte dei portatori di carica nei materiali di tipo N sono elettroni. Quando i due materiali sono a contatto, a causa della differenza di concentrazione dei portatori, gli elettroni nei materiali di tipo N diffonderanno verso quelli di tipo P, mentre gli elettroni nei materiali di tipo N diffonderanno nella direzione opposta alle lacune. L'area non compensata lasciata dalla diffusione di elettroni e lacune formerà un campo elettrico interno, che a sua volta influenzerà la deriva dei portatori, la cui direzione è esattamente opposta a quella della diffusione. Ciò significa che la formazione del campo elettrico interno impedisce la diffusione dei portatori, e si verificano sia diffusione che deriva all'interno della giunzione PN finché i due tipi di moto non si bilanciano, in modo che il flusso statico dei portatori sia nullo. Equilibrio dinamico interno.
Quando la giunzione PN è esposta alla radiazione luminosa, l'energia del fotone viene trasferita al portatore e viene generato il portatore fotogenerato, ovvero la coppia elettrone-lacuna fotogenerata. Sotto l'azione del campo elettrico, l'elettrone e la lacuna si spostano rispettivamente verso la regione N e la regione P, e la deriva direzionale del portatore fotogenerato genera una fotocorrente. Questo è il principio di base del fotorilevatore a giunzione PN.
(3)Fotorilevatore PIN
Il fotodiodo PIN è un materiale di tipo P e un materiale di tipo N tra lo strato I, che è generalmente un materiale intrinseco o a basso drogaggio. Il suo meccanismo di funzionamento è simile a quello della giunzione PN: quando la giunzione PIN è esposta alla radiazione luminosa, il fotone trasferisce energia all'elettrone, generando portatori di carica fotogenerati, e il campo elettrico interno o il campo elettrico esterno separeranno le coppie elettrone-lacuna fotogenerate nello strato di svuotamento, e i portatori di carica spostati formeranno una corrente nel circuito esterno. Il ruolo svolto dallo strato I è quello di espandere la larghezza dello strato di svuotamento, e lo strato I diventerà completamente lo strato di svuotamento sotto un'elevata tensione di polarizzazione, e le coppie elettrone-lacuna generate saranno separate rapidamente, quindi la velocità di risposta del fotodiodo a giunzione PIN è generalmente maggiore di quella del rivelatore a giunzione PN. Anche i portatori esterni allo strato I vengono raccolti dallo strato di svuotamento attraverso il moto di diffusione, formando una corrente di diffusione. Lo spessore dello strato I è generalmente molto sottile e il suo scopo è quello di migliorare la velocità di risposta del rivelatore.
(4)Fotodiodo APDfotodiodo a valanga
Il meccanismo difotodiodo a valangaè simile a quello della giunzione PN. Il fotorilevatore APD utilizza una giunzione PN fortemente drogata, la tensione operativa basata sulla rilevazione APD è elevata e, quando viene aggiunta un'elevata polarizzazione inversa, si verificano ionizzazione per collisione e moltiplicazione a valanga all'interno dell'APD, aumentando le prestazioni del rivelatore in termini di fotocorrente. Quando l'APD è in modalità di polarizzazione inversa, il campo elettrico nello strato di svuotamento sarà molto intenso e i portatori fotogenerati dalla luce verranno rapidamente separati e deriveranno rapidamente sotto l'azione del campo elettrico. C'è una probabilità che gli elettroni urtino il reticolo durante questo processo, causandone la ionizzazione. Questo processo si ripete e gli ioni ionizzati nel reticolo collidono anche con il reticolo, causando un aumento del numero di portatori di carica nell'APD, con conseguente generazione di una corrente elevata. È questo meccanismo fisico unico all'interno dell'APD che i rivelatori basati su APD generalmente presentano le caratteristiche di rapida velocità di risposta, elevato guadagno di corrente e alta sensibilità. Rispetto alla giunzione PN e alla giunzione PIN, l'APD ha una velocità di risposta più rapida, la più elevata tra gli attuali tubi fotosensibili.
(5) Fotodiodo a giunzione Schottky
La struttura di base del fotodiodo a giunzione Schottky è un diodo Schottky, le cui caratteristiche elettriche sono simili a quelle della giunzione PN descritta in precedenza, e presenta una conduttività unidirezionale con conduzione positiva e taglio inverso. Quando un metallo con un'elevata funzione di lavoro e un semiconduttore con una bassa funzione di lavoro entrano in contatto, si forma una barriera Schottky e la giunzione risultante è una giunzione Schottky. Il meccanismo principale è in qualche modo simile a quello della giunzione PN, prendendo come esempio i semiconduttori di tipo N: quando due materiali entrano in contatto, a causa delle diverse concentrazioni di elettroni nei due materiali, gli elettroni nel semiconduttore diffonderanno verso il lato metallico. Gli elettroni diffusi si accumulano continuamente a un'estremità del metallo, distruggendo così la neutralità elettrica originale del metallo e formando un campo elettrico interno dal semiconduttore al metallo sulla superficie di contatto. Gli elettroni si muoveranno sotto l'azione del campo elettrico interno e il moto di diffusione e deriva del portatore avverrà simultaneamente, dopo un periodo di tempo necessario per raggiungere l'equilibrio dinamico e infine formare una giunzione Schottky. In condizioni di luce, la regione barriera assorbe direttamente la luce e genera coppie elettrone-lacuna, mentre i portatori fotogenerati all'interno della giunzione PN devono attraversare la regione di diffusione per raggiungere la regione di giunzione. Rispetto alla giunzione PN, il fotodiodo basato sulla giunzione Schottky ha una velocità di risposta più elevata, che può raggiungere persino il livello di ns.
Data di pubblicazione: 13 agosto 2024