Фотодетектор құрылғысының құрылымының түрі

Түріфотодетектор құрылғысықұрылым
Фотодетектороптикалық сигналды электрлік сигналға түрлендіретін құрылғы, оның құрылымы мен әртүрлілігін негізінен келесі санаттарға бөлуге болады:
(1) Фотоөткізгіш фотодетектор
Фотоөткізгіш құрылғылар жарыққа ұшыраған кезде, фотогенерацияланған тасымалдаушылар өткізгіштігін арттырады және кедергісін төмендетеді. Бөлме температурасында қозған тасымалдаушылар электр өрісінің әсерінен бағытта қозғалады, осылайша ток пайда болады. Жарық жағдайында электрондар қозып, ауысу орын алады. Сонымен қатар, олар электр өрісінің әсерінен фототок түзу үшін дрейфлейді. Нәтижесінде пайда болған фотогенерацияланған тасымалдаушылар құрылғының өткізгіштігін арттырады және осылайша кедергіні төмендетеді. Фотоөткізгіш фотодетекторлар әдетте жоғары күшейту және өнімділікте үлкен жауап беру қабілетін көрсетеді, бірақ олар жоғары жиілікті оптикалық сигналдарға жауап бере алмайды, сондықтан жауап беру жылдамдығы баяу, бұл кейбір аспектілерде фотоөткізгіш құрылғыларды қолдануды шектейді.

(2)PN фотодетекторы
PN фотодетекторы P-типті жартылай өткізгіш материал мен N-типті жартылай өткізгіш материал арасындағы жанасу арқылы пайда болады. Жанасу пайда болғанға дейін екі материал бөлек күйде болады. P-типті жартылай өткізгіштегі Ферми деңгейі валенттік аймақтың шетіне жақын, ал N-типті жартылай өткізгіштегі Ферми деңгейі өткізгіштік аймақтың шетіне жақын. Сонымен қатар, өткізгіштік аймақтың шетіндегі N-типті материалдың Ферми деңгейі екі материалдың Ферми деңгейі бірдей күйде болғанша үздіксіз төмен қарай ығысады. Өткізгіштік аймақ пен валенттік аймақтың орналасуының өзгеруі аймақтың иілуімен қатар жүреді. PN түйіні тепе-теңдікте және біркелкі Ферми деңгейіне ие. Заряд тасымалдаушыларын талдау тұрғысынан алғанда, P-типті материалдардағы заряд тасымалдаушылардың көпшілігі тесіктер, ал N-типті материалдардағы заряд тасымалдаушылардың көпшілігі электрондар. Екі материал жанасқан кезде, тасымалдаушы концентрациясының айырмашылығына байланысты, N-типті материалдардағы электрондар P-типіне диффузияланады, ал N-типті материалдардағы электрондар тесіктерге қарама-қарсы бағытта диффузияланады. Электрондар мен кемтіктердің диффузиясынан қалған өтелмеген аймақ кіріктірілген электр өрісін құрайды, ал кіріктірілген электр өрісі тасымалдаушылардың дрейфін бағыттайды, ал дрейф бағыты диффузия бағытына қарама-қарсы болады, яғни кіріктірілген электр өрісінің пайда болуы тасымалдаушылардың диффузиясына кедергі келтіреді және PN түйіспесінде екі қозғалыс түрі теңестірілгенге дейін диффузия да, дрейф те болады, осылайша статикалық тасымалдаушылар ағыны нөлге тең болады. Ішкі динамикалық тепе-теңдік.
PN түйіні жарық сәулеленуіне ұшыраған кезде, фотонның энергиясы тасымалдаушыға беріледі, ал фотогенерацияланған тасымалдаушы, яғни фотогенерацияланған электрон-тесік жұбы пайда болады. Электр өрісінің әсерінен электрон мен тесік сәйкесінше N аймағына және P аймағына дрейф жасайды, ал фотогенерацияланған тасымалдаушының бағыттағы дрейфі фототок тудырады. Бұл PN түйіні фотодетекторының негізгі принципі.

(3)PIN фотодетекторы
Пин фотодиод - I қабаты арасындағы P типті материал және N типті материал, материалдың I қабаты әдетте ішкі немесе төмен легирленген материал болып табылады. Оның жұмыс механизмі PN түйіспесіне ұқсас, PIN түйіспесіне жарық сәулесі түскенде, фотон энергияны электронға береді, фотогенерацияланған заряд тасымалдаушыларын тудырады, ал ішкі электр өрісі немесе сыртқы электр өрісі сарқылу қабатындағы фотогенерацияланған электрон-тесік жұптарын бөледі, ал дрейфтелген заряд тасымалдаушылар сыртқы тізбекте ток түзеді. I қабатының рөлі сарқылу қабатының енін кеңейту болып табылады, ал I қабат үлкен ығысу кернеуі кезінде толығымен сарқылу қабатына айналады, ал пайда болған электрон-тесік жұптары тез бөлінеді, сондықтан PIN түйіспе фотодетекторының жауап беру жылдамдығы PN түйіспе детекторына қарағанда әдетте жылдамырақ. I қабатынан тыс тасымалдаушылар да сарқылу қабатымен диффузиялық қозғалыс арқылы жиналып, диффузиялық ток түзеді. I қабатының қалыңдығы әдетте өте жұқа және оның мақсаты - детектордың жауап беру жылдамдығын жақсарту.

(4)APD фотодетекторыкөшкін фотодиоды
Механизмікөшкін фотодиодыPN түйіспесіне ұқсас. APD фотодетекторы қатты легирленген PN түйіспесін пайдаланады, APD анықтауға негізделген жұмыс кернеуі үлкен, ал үлкен кері ығысу қосылған кезде, APD ішінде соқтығысу иондалуы және көшкіннің көбеюі орын алады, ал детектордың өнімділігі фототоктың жоғарылауына әкеледі. APD кері ығысу режимінде болған кезде, сарқылу қабатындағы электр өрісі өте күшті болады, ал жарықпен пайда болған фотогенерацияланған тасымалдаушылар электр өрісінің әсерінен тез бөлініп, тез ығысады. Бұл процесс кезінде электрондардың торға соғылуы, тордағы электрондардың иондалуы ықтимал. Бұл процесс қайталанады, ал тордағы иондалған иондар да тормен соқтығысады, бұл APD-дегі заряд тасымалдаушылар санының артуына әкеледі, нәтижесінде үлкен ток пайда болады. APD ішіндегі осы бірегей физикалық механизм APD негізіндегі детекторлардың әдетте жылдам жауап беру жылдамдығы, үлкен ток мәнін арттыру және жоғары сезімталдық сипаттамаларына ие болуында. PN түйіспесімен және PIN түйіспесімен салыстырғанда, APD жылдам жауап беру жылдамдығына ие, бұл ағымдағы фотосезімтал түтіктер арасындағы ең жылдам жауап беру жылдамдығы.

(5) Шоттки түйіспелі фотодетекторы
Шоттки түйіспелі фотодетекторының негізгі құрылымы - жоғарыда сипатталған PN түйіспесіне ұқсас электрлік сипаттамалары бар Шоттки диоды және ол оң өткізгіштік пен кері үзіліспен бір бағытты өткізгіштікке ие. Жұмыс функциясы жоғары металл және жұмыс функциясы төмен жартылай өткізгіш жанасқанда, Шоттки тосқауылы пайда болады, ал нәтижесінде пайда болған түйіспе Шоттки түйіспесі болып табылады. Негізгі механизм PN түйіспесіне біршама ұқсас, мысалы, N типті жартылай өткізгіштерді алсақ, екі материал жанасқанда, екі материалдың электрон концентрацияларының әртүрлі болуына байланысты жартылай өткізгіштегі электрондар металл жағына диффузияланады. Диффузияланған электрондар металдың бір ұшында үздіксіз жиналады, осылайша металдың бастапқы электрлік бейтараптығын бұзады, жанасу бетінде жартылай өткізгіштен металға кіріктірілген электр өрісін түзеді, ал электрондар ішкі электр өрісінің әсерінен дрейфлейді, ал тасымалдаушының диффузия және дрейф қозғалысы динамикалық тепе-теңдікке жету үшін уақыт өткеннен кейін бір мезгілде жүзеге асырылады және ақырында Шоттки түйіспесін түзеді. Жарық жағдайында тосқауыл аймағы жарықты тікелей сіңіріп, электрон-тесік жұптарын түзеді, ал PN түйіспесінің ішіндегі фотогенерацияланған тасымалдаушылар түйіспе аймағына жету үшін диффузия аймағынан өтуі керек. PN түйісімен салыстырғанда, Шоттки түйіспесіне негізделген фотодетектордың жауап беру жылдамдығы жоғарырақ, ал жауап беру жылдамдығы тіпті ns деңгейіне жетуі мүмкін.