Tipo didispositivo fotorivelatorestruttura
Fotorivelatoreè un dispositivo che converte il segnale ottico in segnale elettrico; la sua struttura e varietà possono essere suddivise principalmente nelle seguenti categorie:
(1) Fotorivelatore fotoconduttivo
Quando i dispositivi fotoconduttivi sono esposti alla luce, i portatori di carica fotogenerati aumentano la loro conduttività e diminuiscono la loro resistenza. I portatori di carica eccitati a temperatura ambiente si muovono in modo direzionale sotto l'azione di un campo elettrico, generando così una corrente. In presenza di luce, gli elettroni vengono eccitati e si verifica una transizione. Allo stesso tempo, si spostano sotto l'azione di un campo elettrico per formare una fotocorrente. I portatori di carica fotogenerati risultanti aumentano la conduttività del dispositivo e quindi ne riducono la resistenza. I fotorivelatori fotoconduttivi mostrano solitamente un elevato guadagno e un'ottima reattività, ma non sono in grado di rispondere a segnali ottici ad alta frequenza, pertanto la velocità di risposta è lenta, il che limita l'applicazione dei dispositivi fotoconduttivi in alcuni ambiti.
(2)fotorivelatore PN
Il fotorivelatore PN è formato dal contatto tra un materiale semiconduttore di tipo P e un materiale semiconduttore di tipo N. Prima della formazione del contatto, i due materiali si trovano in stati separati. Il livello di Fermi nel semiconduttore di tipo P è vicino al bordo della banda di valenza, mentre il livello di Fermi nel semiconduttore di tipo N è vicino al bordo della banda di conduzione. Allo stesso tempo, il livello di Fermi del materiale di tipo N al bordo della banda di conduzione si sposta continuamente verso il basso fino a quando i livelli di Fermi dei due materiali si trovano nella stessa posizione. La variazione della posizione della banda di conduzione e della banda di valenza è accompagnata 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 di carica, gli elettroni nei materiali di tipo N diffondono verso quelli di tipo P, mentre gli elettroni nei materiali di tipo N diffondono nella direzione opposta rispetto alle lacune. L'area non compensata lasciata dalla diffusione di elettroni e lacune formerà un campo elettrico interno, e questo campo elettrico interno influenzerà la deriva dei portatori di carica, la cui direzione è esattamente opposta alla direzione di diffusione. Ciò significa che la formazione del campo elettrico interno impedisce la diffusione dei portatori di carica, e all'interno della giunzione PN coesistono sia diffusione che deriva finché i due tipi di movimento non si bilanciano, in modo che il flusso statico dei portatori di carica sia nullo. Equilibrio dinamico interno.
Quando la giunzione PN è esposta alla radiazione luminosa, l'energia del fotone viene trasferita al portatore di carica, generando un fotoportatore, ovvero una coppia elettrone-lacuna. 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 di carica genera una fotocorrente. Questo è il principio di funzionamento di base del fotorivelatore a giunzione PN.
(3)Fotorivelatore PIN
Il fotodiodo PIN è costituito da un materiale di tipo P e da un materiale di tipo N interposto tra gli strati I. Lo strato I 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. Il campo elettrico interno o esterno separa le coppie elettrone-lacuna fotogenerate nello strato di svuotamento, e i portatori di carica trasportati formano una corrente nel circuito esterno. Il ruolo dello strato I è quello di espandere la larghezza dello strato di svuotamento. Sotto un'elevata tensione di polarizzazione, lo strato I diventa completamente lo strato di svuotamento, separando rapidamente le coppie elettrone-lacuna generate. Pertanto, la velocità di risposta del fotorivelatore a giunzione PIN è generalmente superiore a quella del fotorivelatore a giunzione PN. I portatori di carica esterni allo strato I vengono inoltre raccolti dallo strato di svuotamento tramite 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)Fotorivelatore APDfotodiodo a valanga
Il meccanismo difotodiodo a valangaÈ simile a quello della giunzione PN. Il fotorivelatore APD utilizza una giunzione PN fortemente drogata, la tensione operativa basata sul rilevamento APD è elevata e, quando viene aggiunta una forte polarizzazione inversa, si verificano ionizzazione da collisione e moltiplicazione a valanga all'interno dell'APD, e le prestazioni del rivelatore aumentano la fotocorrente. Quando l'APD è in modalità di polarizzazione inversa, il campo elettrico nello strato di svuotamento sarà molto forte e i portatori fotogenerati dalla luce si separeranno rapidamente e deriveranno velocemente sotto l'azione del campo elettrico. C'è una probabilità che gli elettroni urtino contro il reticolo durante questo processo, causando la ionizzazione degli elettroni nel reticolo. Questo processo si ripete e gli ioni ionizzati nel reticolo collidono a loro volta con il reticolo, causando un aumento del numero di portatori di carica nell'APD, con conseguente elevata corrente. È questo meccanismo fisico unico all'interno dell'APD che conferisce ai rivelatori basati su APD le caratteristiche di velocità di risposta elevata, elevato guadagno di corrente e alta sensibilità. Rispetto alle giunzioni PN e PIN, gli APD presentano una velocità di risposta più elevata, risultando i più veloci tra i fotodiodi attualmente disponibili.
(5) Fotorivelatore a giunzione Schottky
La struttura di base del fotorivelatore 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 interdizione inversa. 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 diffondono 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 spostano sotto l'azione del campo elettrico interno e la diffusione e la deriva dei portatori avvengono simultaneamente. Dopo un certo periodo di tempo, si raggiunge l'equilibrio dinamico e infine si forma una giunzione Schottky. In presenza di luce, la regione di 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 fotorivelatore basato sulla giunzione Schottky ha una velocità di risposta più elevata, che può raggiungere anche il livello dei nanosecondi.
Data di pubblicazione: 13 agosto 2024