Jenisperangkat fotodetektorstruktur
Fotodetektoradalah perangkat yang mengubah sinyal optik menjadi sinyal listrik, struktur dan variasinya, dapat dibagi menjadi beberapa kategori berikut:
(1) Fotodetektor fotokonduktif
Ketika perangkat fotokonduktif terkena cahaya, pembawa fotogenerasi meningkatkan konduktivitasnya dan menurunkan resistansinya. Pembawa yang tereksitasi pada suhu ruang bergerak searah di bawah pengaruh medan listrik, sehingga menghasilkan arus. Di bawah kondisi cahaya, elektron tereksitasi dan terjadi transisi. Pada saat yang sama, elektron bergerak di bawah pengaruh medan listrik untuk membentuk arus foto. Pembawa fotogenerasi yang dihasilkan meningkatkan konduktivitas perangkat dan dengan demikian mengurangi resistansinya. Fotodetektor fotokonduktif biasanya menunjukkan penguatan tinggi dan responsivitas yang tinggi dalam kinerjanya, tetapi tidak dapat merespons sinyal optik frekuensi tinggi, sehingga kecepatan responsnya lambat, yang membatasi penerapan perangkat fotokonduktif dalam beberapa aspek.
(2)Fotodetektor PN
Fotodetektor PN dibentuk oleh kontak antara bahan semikonduktor tipe-P dan bahan semikonduktor tipe-N. Sebelum kontak terbentuk, kedua bahan berada dalam keadaan terpisah. Level Fermi pada semikonduktor tipe-P dekat dengan tepi pita valensi, sedangkan level Fermi pada semikonduktor tipe-N dekat dengan tepi pita konduksi. Pada saat yang sama, level Fermi bahan tipe-N di tepi pita konduksi terus bergeser ke bawah hingga level Fermi kedua bahan berada pada posisi yang sama. Perubahan posisi pita konduksi dan pita valensi juga disertai dengan pembengkokan pita. Sambungan PN berada dalam kesetimbangan dan memiliki level Fermi yang seragam. Dari aspek analisis pembawa muatan, sebagian besar pembawa muatan pada bahan tipe-P adalah lubang, sedangkan sebagian besar pembawa muatan pada bahan tipe-N adalah elektron. Ketika kedua material bersentuhan, karena perbedaan konsentrasi pembawa muatan, elektron pada material tipe-N akan berdifusi ke tipe-P, sementara elektron pada material tipe-N akan berdifusi ke arah yang berlawanan dengan lubang. Area yang tidak terkompensasi akibat difusi elektron dan lubang akan membentuk medan listrik internal, dan medan listrik internal tersebut akan membentuk pergeseran pembawa muatan, dengan arah pergeseran berlawanan arah dengan difusi. Artinya, pembentukan medan listrik internal mencegah difusi pembawa muatan, dan terjadi difusi dan pergeseran di dalam sambungan PN hingga kedua jenis gerak tersebut seimbang, sehingga aliran pembawa muatan statis menjadi nol. Keseimbangan dinamis internal.
Ketika sambungan PN terpapar radiasi cahaya, energi foton ditransfer ke pembawa, dan pembawa fotogenerasi, yaitu pasangan elektron-lubang fotogenerasi, dihasilkan. Di bawah aksi medan listrik, elektron dan lubang bergerak masing-masing ke daerah N dan daerah P, dan gerakan searah pembawa fotogenerasi menghasilkan arus foto. Inilah prinsip dasar fotodetektor sambungan PN.
(3)Fotodetektor PIN
Fotodioda pin adalah material tipe-P dan tipe-N yang terletak di antara lapisan I. Lapisan I umumnya merupakan material intrinsik atau doping rendah. Mekanisme kerjanya mirip dengan sambungan PN. Ketika sambungan PIN terpapar radiasi cahaya, foton mentransfer energi ke elektron, menghasilkan pembawa muatan fotogenerasi. Medan listrik internal maupun eksternal akan memisahkan pasangan elektron-hole fotogenerasi di lapisan deplesi. Pembawa muatan yang terhanyut akan membentuk arus di sirkuit eksternal. Peran lapisan I adalah memperluas lebar lapisan deplesi. Lapisan I akan sepenuhnya menjadi lapisan deplesi di bawah tegangan bias yang besar. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan akan dipisahkan dengan cepat. Oleh karena itu, kecepatan respons fotodetektor sambungan PIN umumnya lebih cepat daripada detektor sambungan PN. Pembawa muatan di luar lapisan I juga dikumpulkan oleh lapisan deplesi melalui gerakan difusi, membentuk arus difusi. Ketebalan lapisan I umumnya sangat tipis, dan tujuannya adalah untuk meningkatkan kecepatan respons detektor.
(4)Fotodetektor APDfotodioda longsor
Mekanisme darifotodioda longsorMirip dengan sambungan PN. Fotodetektor APD menggunakan sambungan PN yang didoping berat, tegangan operasi berdasarkan deteksi APD besar, dan ketika bias balik yang besar ditambahkan, ionisasi tumbukan dan perkalian longsoran akan terjadi di dalam APD, dan kinerja detektor akan meningkatkan arus fotolistrik. Ketika APD berada dalam mode bias balik, medan listrik di lapisan deplesi akan sangat kuat, dan pembawa muatan fotolistrik yang dihasilkan oleh cahaya akan cepat terpisah dan melayang di bawah aksi medan listrik. Ada kemungkinan elektron akan menabrak kisi selama proses ini, menyebabkan elektron dalam kisi terionisasi. Proses ini berulang, dan ion terionisasi dalam kisi juga bertabrakan dengan kisi, menyebabkan jumlah pembawa muatan dalam APD meningkat, menghasilkan arus yang besar. Mekanisme fisik unik di dalam APD inilah yang membuat detektor berbasis APD umumnya memiliki karakteristik kecepatan respons yang cepat, penguatan nilai arus yang besar, dan sensitivitas yang tinggi. Dibandingkan dengan sambungan PN dan sambungan PIN, APD memiliki kecepatan respons yang lebih cepat, yang merupakan kecepatan respons tercepat di antara tabung fotosensitif saat ini.
(5) Fotodetektor sambungan Schottky
Struktur dasar fotodetektor sambungan Schottky adalah dioda Schottky, yang karakteristik kelistrikannya mirip dengan sambungan PN yang dijelaskan sebelumnya, dan memiliki konduktivitas searah dengan konduksi positif dan pemutusan terbalik. Ketika logam dengan fungsi kerja tinggi dan semikonduktor dengan fungsi kerja rendah bersentuhan, penghalang Schottky terbentuk, dan sambungan yang dihasilkan adalah sambungan Schottky. Mekanisme utamanya agak mirip dengan sambungan PN, misalnya semikonduktor tipe-N. Ketika dua material bersentuhan, karena perbedaan konsentrasi elektron kedua material, elektron dalam semikonduktor akan berdifusi ke sisi logam. Elektron yang terdifusi terakumulasi secara terus-menerus di salah satu ujung logam, sehingga merusak netralitas listrik asli logam, membentuk medan listrik bawaan dari semikonduktor ke logam pada permukaan kontak, dan elektron akan melayang di bawah aksi medan listrik internal, dan gerakan difusi dan melayang pembawa akan dilakukan secara bersamaan, setelah jangka waktu tertentu untuk mencapai kesetimbangan dinamis, dan akhirnya membentuk sambungan Schottky. Dalam kondisi cahaya, daerah penghalang secara langsung menyerap cahaya dan menghasilkan pasangan elektron-lubang, sementara pembawa yang dihasilkan foto di dalam sambungan PN perlu melewati daerah difusi untuk mencapai daerah sambungan. Dibandingkan dengan sambungan PN, fotodetektor berdasarkan sambungan Schottky memiliki kecepatan respons yang lebih cepat, dan kecepatan respons bahkan dapat mencapai tingkat ns.
Waktu posting: 13-Agu-2024