Jenisperangkat fotodetektorstruktur
Fotodetektoradalah perangkat yang mengubah sinyal optik menjadi sinyal listrik, struktur dan jenisnya, terutama dapat dibagi menjadi kategori-kategori berikut:
(1) Fotodetektor fotokonduktif
Ketika perangkat fotokonduktif terpapar cahaya, pembawa muatan yang dihasilkan oleh foton meningkatkan konduktivitas dan menurunkan resistansinya. Pembawa muatan yang tereksitasi pada suhu kamar bergerak secara terarah di bawah pengaruh medan listrik, sehingga menghasilkan arus. Dalam kondisi cahaya, elektron tereksitasi dan terjadi transisi. Pada saat yang sama, elektron tersebut bergerak di bawah pengaruh medan listrik untuk membentuk arus foto. Pembawa muatan yang dihasilkan oleh foton meningkatkan konduktivitas perangkat dan dengan demikian mengurangi resistansi. Fotodetektor fotokonduktif biasanya menunjukkan penguatan tinggi dan responsivitas yang hebat dalam kinerja, 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 material semikonduktor tipe P dan material semikonduktor tipe N. Sebelum kontak terbentuk, kedua material berada dalam keadaan terpisah. Tingkat Fermi pada semikonduktor tipe P dekat dengan tepi pita valensi, sedangkan tingkat Fermi pada semikonduktor tipe N dekat dengan tepi pita konduksi. Pada saat yang sama, tingkat Fermi material tipe N di tepi pita konduksi terus bergeser ke bawah hingga tingkat Fermi kedua material berada pada posisi yang sama. Perubahan posisi pita konduksi dan pita valensi juga disertai dengan pembengkokan pita. Sambungan PN berada dalam keseimbangan dan memiliki tingkat Fermi yang seragam. Dari aspek analisis pembawa muatan, sebagian besar pembawa muatan pada material tipe P adalah lubang (hole), sedangkan sebagian besar pembawa muatan pada material tipe N adalah elektron. Ketika kedua material tersebut bersentuhan, karena perbedaan konsentrasi pembawa muatan, elektron dalam material tipe-N akan berdifusi ke material tipe-P, sedangkan elektron dalam material tipe-N akan berdifusi ke arah yang berlawanan dengan lubang. Area yang tidak terkompensasi yang ditinggalkan oleh difusi elektron dan lubang akan membentuk medan listrik internal, dan medan listrik internal akan cenderung menyebabkan pergeseran pembawa muatan, dan arah pergeseran tersebut berlawanan dengan arah difusi, yang berarti bahwa pembentukan medan listrik internal mencegah difusi pembawa muatan, dan terdapat difusi dan pergeseran di dalam sambungan PN hingga kedua jenis gerakan tersebut seimbang, sehingga aliran pembawa muatan statis menjadi nol. Keseimbangan dinamis internal.
Ketika sambungan PN terpapar radiasi cahaya, energi foton ditransfer ke pembawa muatan, dan pembawa muatan hasil fotogenerasi, yaitu pasangan elektron-lubang hasil fotogenerasi, dihasilkan. Di bawah pengaruh medan listrik, elektron dan lubang bergerak ke wilayah N dan wilayah P masing-masing, dan pergerakan terarah pembawa muatan hasil fotogenerasi menghasilkan arus foto. Ini adalah prinsip dasar detektor foto sambungan PN.
(3)fotodetektor PIN
Fotodioda PIN adalah material tipe-P dan material tipe-N di antara lapisan I, lapisan I dari material tersebut umumnya merupakan material intrinsik atau material dengan doping rendah. Mekanisme kerjanya mirip dengan sambungan PN, ketika sambungan PIN terkena radiasi cahaya, foton mentransfer energi ke elektron, menghasilkan pembawa muatan fotogenerasi, dan medan listrik internal atau medan listrik eksternal akan memisahkan pasangan elektron-lubang fotogenerasi di lapisan deplesi, dan pembawa muatan yang bergeser akan membentuk arus di rangkaian eksternal. Peran yang dimainkan oleh lapisan I adalah untuk memperluas lebar lapisan deplesi, dan lapisan I akan sepenuhnya menjadi lapisan deplesi di bawah tegangan bias yang besar, dan pasangan elektron-lubang yang dihasilkan akan dipisahkan dengan cepat, sehingga 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 longsoran
Mekanismefotodioda longsoranMirip dengan sambungan PN. Fotodetektor APD menggunakan sambungan PN yang didoping tinggi, 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 meningkat seiring dengan peningkatan arus foto. Ketika APD berada dalam mode bias balik, medan listrik di lapisan deplesi akan sangat kuat, dan pembawa muatan yang dihasilkan oleh cahaya akan cepat terpisah dan cepat bergeser di bawah pengaruh 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 di APD meningkat, menghasilkan arus yang besar. Mekanisme fisik unik di dalam APD inilah yang umumnya membuat detektor berbasis APD memiliki karakteristik kecepatan respons yang cepat, peningkatan 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 listriknya mirip dengan sambungan PN yang dijelaskan di atas, dan memiliki konduktivitas searah dengan konduksi positif dan pemutusan balik. Ketika logam dengan fungsi kerja tinggi dan semikonduktor dengan fungsi kerja rendah bersentuhan, terbentuk penghalang Schottky, dan sambungan yang dihasilkan adalah sambungan Schottky. Mekanisme utamanya agak mirip dengan sambungan PN, dengan mengambil semikonduktor tipe N sebagai contoh, ketika dua material bersentuhan, karena perbedaan konsentrasi elektron dari kedua material tersebut, elektron dalam semikonduktor akan berdifusi ke sisi logam. Elektron yang terdifusi terus-menerus terakumulasi di salah satu ujung logam, sehingga merusak netralitas listrik asli logam, membentuk medan listrik internal dari semikonduktor ke logam pada permukaan kontak, dan elektron akan bergeser di bawah pengaruh medan listrik internal, dan difusi serta pergeseran pembawa muatan akan terjadi secara bersamaan, setelah beberapa waktu mencapai keseimbangan dinamis, dan akhirnya membentuk sambungan Schottky. Dalam kondisi cahaya, daerah penghalang langsung menyerap cahaya dan menghasilkan pasangan elektron-lubang, sedangkan pembawa muatan yang dihasilkan oleh foton di dalam sambungan PN perlu melewati daerah difusi untuk mencapai daerah sambungan. Dibandingkan dengan sambungan PN, fotodetektor berbasis sambungan Schottky memiliki kecepatan respons yang lebih cepat, dan kecepatan responsnya bahkan dapat mencapai tingkat nanodetik (ns).
Waktu posting: 13 Agustus 2024