Tipo dedispositivo fotodetectorestructura
fotodetectorEs un dispositivo que convierte una señal óptica en una señal eléctrica; su estructura y variedad se pueden dividir principalmente en las siguientes categorías:
(1) Fotodetector fotoconductor
Cuando los dispositivos fotoconductores se exponen a la luz, los portadores fotogenerados aumentan su conductividad y disminuyen su resistencia. Los portadores excitados a temperatura ambiente se mueven direccionalmente bajo la acción de un campo eléctrico, generando así una corriente. Bajo la acción de la luz, los electrones se excitan y se produce una transición. Al mismo tiempo, se desplazan bajo la acción de un campo eléctrico, formando una fotocorriente. Los portadores fotogenerados resultantes aumentan la conductividad del dispositivo y, por lo tanto, reducen la resistencia. Los fotodetectores fotoconductores suelen presentar una alta ganancia y una gran sensibilidad, pero no pueden responder a señales ópticas de alta frecuencia, por lo que su velocidad de respuesta es lenta, lo que limita su aplicación en ciertos aspectos.
(2)fotodetector PN
Un fotodetector PN se forma mediante el contacto entre un material semiconductor tipo P y un material semiconductor tipo N. Antes de que se forme el contacto, ambos materiales se encuentran en estados separados. El nivel de Fermi en el semiconductor tipo P está cerca del borde de la banda de valencia, mientras que el nivel de Fermi en el semiconductor tipo N está cerca del borde de la banda de conducción. Simultáneamente, el nivel de Fermi del material tipo N, situado en el borde de la banda de conducción, se desplaza continuamente hacia abajo hasta que los niveles de Fermi de ambos materiales coinciden. Este cambio en la posición de las bandas de conducción y valencia también conlleva una curvatura de las bandas. La unión PN se encuentra en equilibrio y presenta un nivel de Fermi uniforme. Desde la perspectiva del análisis de portadores de carga, la mayoría de los portadores de carga en los materiales tipo P son huecos, mientras que la mayoría de los portadores de carga en los materiales tipo N son electrones. Cuando los dos materiales entran en contacto, debido a la diferencia en la concentración de portadores, los electrones en los materiales de tipo N se difunden hacia los de tipo P, mientras que los electrones en los materiales de tipo N se difunden en dirección opuesta a los huecos. El área no compensada resultante de la difusión de electrones y huecos genera un campo eléctrico interno, el cual induce la deriva de los portadores en dirección opuesta a la de la difusión. Esto significa que la formación del campo eléctrico interno impide la difusión de los portadores, y dentro de la unión PN coexisten difusión y deriva hasta que ambos movimientos se equilibran, logrando así un flujo estático de portadores nulo. Equilibrio dinámico interno.
Cuando la unión PN se expone a la radiación lumínica, la energía del fotón se transfiere al portador, generándose así un par electrón-hueco fotogenerado. Bajo la acción del campo eléctrico, el electrón y el hueco se desplazan hacia las regiones N y P, respectivamente, y este desplazamiento direccional genera una fotocorriente. Este es el principio básico del fotodetector de unión PN.
(3)fotodetector PIN
El fotodiodo PIN está compuesto por un material de tipo P y un material de tipo N entre la capa intrínseca (I). Esta capa I suele ser un material intrínseco o con baja concentración de dopante. Su mecanismo de funcionamiento es similar al de una unión PN. Cuando la unión PIN se expone a la radiación lumínica, el fotón transfiere energía al electrón, generando portadores de carga fotogenerados. El campo eléctrico interno o externo separa los pares electrón-hueco fotogenerados en la capa de agotamiento, y los portadores de carga liberados generan una corriente en el circuito externo. La función de la capa I es expandir el ancho de la capa de agotamiento. Bajo una alta tensión de polarización, la capa I se convierte completamente en la capa de agotamiento, lo que provoca una rápida separación de los pares electrón-hueco generados. Por lo tanto, la velocidad de respuesta del fotodetector de unión PIN es generalmente mayor que la del detector de unión PN. Los portadores fuera de la capa I también son recolectados por la capa de agotamiento mediante difusión, formando una corriente de difusión. El espesor de la capa I suele ser muy delgado, con el fin de mejorar la velocidad de respuesta del detector.
(4)fotodetector APDfotodiodo de avalancha
El mecanismo defotodiodo de avalanchaEs similar al de una unión PN. El fotodetector APD utiliza una unión PN altamente dopada, lo que resulta en un voltaje de operación elevado. Al aplicar una alta polarización inversa, se produce ionización por colisión y multiplicación por avalancha dentro del APD, incrementando así el rendimiento del detector y, por ende, su fotocorriente. Cuando el APD opera con polarización inversa, el campo eléctrico en la capa de agotamiento se intensifica, provocando la rápida separación y deriva de los portadores fotogenerados por la luz. Existe la posibilidad de que los electrones choquen con la red cristalina durante este proceso, ionizándose. Este proceso se repite, y los iones ionizados también colisionan con la red, aumentando el número de portadores de carga en el APD y, en consecuencia, generando una alta corriente. Este mecanismo físico único dentro del APD es el responsable de que los detectores basados en APD presenten características como una respuesta rápida, una alta ganancia de corriente y una elevada sensibilidad. En comparación con las uniones PN y PIN, el APD tiene una velocidad de respuesta más rápida, la más rápida entre los tubos fotosensibles actuales.
(5) Fotodetector de unión Schottky
La estructura básica del fotodetector de unión Schottky es un diodo Schottky, cuyas características eléctricas son similares a las de la unión PN descrita anteriormente. Presenta conductividad unidireccional con conducción positiva y corte inverso. Cuando un metal con alta función de trabajo y un semiconductor con baja función de trabajo entran en contacto, se forma una barrera Schottky, dando lugar a una unión Schottky. El mecanismo principal es similar al de la unión PN. Tomando como ejemplo los semiconductores de tipo N, cuando dos materiales entran en contacto, debido a las diferentes concentraciones de electrones, los electrones del semiconductor se difunden hacia el metal. Estos electrones se acumulan continuamente en un extremo del metal, rompiendo así su neutralidad eléctrica original y generando un campo eléctrico interno desde el semiconductor hacia el metal en la superficie de contacto. Los electrones se desplazan bajo la acción de este campo, y la difusión y el desplazamiento de los portadores se producen simultáneamente. Tras un tiempo, alcanzan el equilibrio dinámico y finalmente forman una unión Schottky. En condiciones de iluminación, la región de barrera absorbe directamente la luz y genera pares electrón-hueco, mientras que los portadores fotogenerados dentro de la unión PN deben atravesar la región de difusión para alcanzar la región de unión. En comparación con la unión PN, el fotodetector basado en la unión Schottky presenta una velocidad de respuesta mucho mayor, pudiendo alcanzar incluso el nivel de los nanosegundos.
Fecha de publicación: 13 de agosto de 2024