Tipo de estructura del dispositivo fotodetector

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. En presencia de luz, los electrones se excitan y se produce una transición. Al mismo tiempo, se desplazan bajo la acción de un campo eléctrico para formar 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 capacidad de respuesta, pero no pueden responder a señales ópticas de alta frecuencia, por lo que su velocidad de respuesta es lenta, lo que limita la aplicación de los dispositivos fotoconductores en algunos aspectos.

(2)fotodetector PN
El fotodetector PN se forma mediante el contacto entre un material semiconductor de tipo P y un material semiconductor de tipo N. Antes de que se forme el contacto, ambos materiales se encuentran en un estado separado. El nivel de Fermi en el semiconductor de tipo P está cerca del borde de la banda de valencia, mientras que el nivel de Fermi en el semiconductor de tipo N está cerca del borde de la banda de conducción. Simultáneamente, el nivel de Fermi del material de tipo N en el borde de la banda de conducción se desplaza continuamente hacia abajo hasta que los niveles de Fermi de ambos materiales coinciden. El cambio en la posición de la banda de conducción y la banda de valencia también se acompaña de una curvatura de la banda. La unión PN se encuentra en equilibrio y presenta un nivel de Fermi uniforme. Desde el punto de vista del análisis de portadores de carga, la mayoría de los portadores de carga en los materiales de tipo P son huecos, mientras que la mayoría de los portadores de carga en los materiales de 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 que queda tras la difusión de electrones y huecos forma un campo eléctrico interno, y este campo eléctrico interno provoca la deriva de los portadores. La dirección de la deriva es justo opuesta a la de la difusión, lo que significa que la formación del campo eléctrico interno impide la difusión de los portadores. Dentro de la unión PN coexisten la difusión y la deriva hasta que ambos tipos de movimiento se equilibran, de modo que el flujo estático de portadores es cero. Equilibrio dinámico interno.
Cuando la unión PN se expone a la radiación luminosa, la energía del fotón se transfiere al portador de carga, generando 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 del portador fotogenerado genera una fotocorriente. Este es el principio básico del fotodetector de unión PN.

(3)fotodetector PIN
El fotodiodo PIN es una unión de tipo P con una capa I entre materiales de tipo N. La capa I suele ser un material intrínseco o de bajo dopaje. Su mecanismo de funcionamiento es similar al de una unión PN: cuando la unión PIN se expone a la radiación luminosa, 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 desplazados forman una corriente en el circuito externo. La capa I se encarga de 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 suele ser 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 fuertemente dopada, el voltaje de operación basado en la detección APD es alto, y cuando se agrega una gran polarización inversa, se produce ionización por colisión y multiplicación por avalancha dentro del APD, y el rendimiento del detector aumenta la fotocorriente. Cuando el APD está en modo de polarización inversa, el campo eléctrico en la capa de agotamiento será muy fuerte, y los portadores fotogenerados generados por la luz se separarán rápidamente y se desplazarán rápidamente bajo la acción del campo eléctrico. Existe una probabilidad de que los electrones choquen con la red durante este proceso, provocando que los electrones en la red se ionicen. Este proceso se repite, y los iones ionizados en la red también colisionan con la red, lo que provoca que el número de portadores de carga en el APD aumente, resultando en una gran corriente. Es este mecanismo físico único dentro del APD lo que generalmente hace que los detectores basados ​​en APD tengan las características de velocidad de respuesta rápida, gran ganancia de valor de corriente y alta sensibilidad. En comparación con las uniones PN y PIN, el APD tiene una velocidad de respuesta más rápida, siendo 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 una alta función de trabajo y un semiconductor con una baja función de trabajo entran en contacto, se forma una barrera Schottky, y la unión resultante es 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 de ambos materiales, los electrones del semiconductor se difunden hacia el lado del metal. Estos electrones se acumulan continuamente en un extremo del metal, destruyendo así la neutralidad eléctrica original del metal y formando un campo eléctrico interno desde el semiconductor hacia el metal en la superficie de contacto. Bajo la acción de este campo eléctrico interno, los electrones se desplazan, produciéndose simultáneamente la difusión y el desplazamiento de los portadores de carga. Tras un período de 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 llegar a la región de unión. En comparación con la unión PN, el fotodetector basado en la unión Schottky presenta una velocidad de respuesta más rápida, que puede incluso alcanzar el nivel de nanosegundos.