Fotodetektori seadme struktuuri tüüp

Tüüpfotodetektori seadestruktuur
Fotodetektoron seade, mis muundab optilise signaali elektriliseks signaaliks. Selle struktuuri ja mitmekesisuse poolest saab selle jagada peamiselt järgmistesse kategooriatesse:
(1) Fotojuhtiv fotodetektor
Kui fotojuhtivaid seadmeid valgusega kokku puutub, suurendab fotogenereeritud laengukandja nende juhtivust ja vähendab takistust. Toatemperatuuril ergastatud laengukandjad liiguvad elektrivälja toimel suunatud suunas, tekitades voolu. Valguse käes erganevad elektronid ja toimub üleminek. Samal ajal triivivad nad elektrivälja toimel, moodustades fotovoolu. Saadud fotogenereeritud laengukandjad suurendavad seadme juhtivust ja vähendavad seega takistust. Fotojuhtivatel fotodetektoritel on tavaliselt suur võimendus ja suurepärane reageerimisvõime, kuid nad ei suuda reageerida kõrgsageduslikele optilistele signaalidele, mistõttu on reageerimiskiirus aeglane, mis piirab fotojuhtivate seadmete rakendamist teatud aspektides.

(2)PN-fotodetektor
PN-fotodetektor moodustub P-tüüpi pooljuhtmaterjali ja N-tüüpi pooljuhtmaterjali kokkupuutel. Enne kontakti tekkimist on need kaks materjali eraldi olekus. P-tüüpi pooljuhi Fermi tase on valentstsooni serva lähedal, samas kui N-tüüpi pooljuhi Fermi tase on juhtivustsooni serva lähedal. Samal ajal nihkub N-tüüpi materjali Fermi tase juhtivustsooni servas pidevalt allapoole, kuni kahe materjali Fermi tase on samas asendis. Juhtivustsooni ja valentstsooni asukoha muutumisega kaasneb ka tsooni painutamine. PN-siire on tasakaalus ja sellel on ühtlane Fermi tase. Laengukandjate analüüsi seisukohast on enamik P-tüüpi materjalide laengukandjaid augud, samas kui enamik N-tüüpi materjalide laengukandjaid on elektronid. Kui kaks materjali on kokkupuutes, siis laengukandjate kontsentratsiooni erinevuse tõttu difundeeruvad N-tüüpi materjalide elektronid P-tüüpi materjalidesse, samas kui N-tüüpi materjalide elektronid difundeeruvad vastassuunas aukudesse. Elektronide ja aukude difusiooni tagajärjel tekkinud kompenseerimata ala moodustab sisseehitatud elektrivälja ja sisseehitatud elektriväli põhjustab laengukandjate triivi, kusjuures triivi suund on täpselt vastupidine difusiooni suunale, mis tähendab, et sisseehitatud elektrivälja teke takistab laengukandjate difusiooni ja PN-siirde sees toimuvad nii difusioon kui ka triiv, kuni need kaks liikumisviisi on tasakaalus, nii et staatiline laengukandjate voog on null. Sisemine dünaamiline tasakaal.
Kui PN-siirde kiirgus mõjutab, kandub footoni energia laengukandjale ja tekib fotogenereeritud laengukandja ehk fotogenereeritud elektron-auk paar. Elektrivälja toimel triivivad elektron ja auk vastavalt N- ja P-piirkonda ning fotogenereeritud laengukandja suunatud triiv tekitab fotovoolu. See on PN-siirde fotodetektori põhiprintsiip.

(3)PIN-koodi fotodetektor
Pin-fotodiood on P-tüüpi ja N-tüüpi materjal, mis paikneb I-kihi vahel. I-kiht on üldiselt sisemine või madala legeerimissisaldusega materjal. Selle töömehhanism sarnaneb PN-siirde omaga. Kui PIN-siirde suhtes tekib valguskiirgus, kannab footon energia elektronile, tekitades fotogenereeritud laengukandjaid. Sisemine või väline elektriväli eraldab fotogenereeritud elektron-auk paarid tühjenduskihis ja triivinud laengukandjad moodustavad välises vooluringis voolu. I-kihi ülesanne on laiendada tühjenduskihi laiust. Suure eelpinge korral muutub I-kiht täielikult tühjenduskihiks ja tekitatud elektron-auk paarid eralduvad kiiresti. Seega on PIN-siirde fotodetektori reageerimiskiirus üldiselt kiirem kui PN-siirde detektoril. Väljaspool I-kihti olevad laengukandjad kogutakse difusiooniliikumise teel tühjenduskihi poolt, moodustades difusioonivoolu. I-kihi paksus on üldiselt väga õhuke ja selle eesmärk on parandada detektori reageerimiskiirust.

(4)APD fotodetektorlaviini fotodiood
Mehhanismlaviini fotodioodon sarnane PN-siirde omaga. APD fotodetektor kasutab tugevalt legeeritud PN-siirdeid, APD-detektsioonil põhinev tööpinge on suur ja suure pöördpinge lisamisel toimub APD-s kokkupõrke ionisatsioon ja laviini paljunemine ning detektori jõudlus suureneb fotovoolu tõttu. Kui APD on pöördpinge režiimis, on vaesuskihis olev elektriväli väga tugev ja valguse tekitatud fotogenereeritud laengukandjad eralduvad kiiresti ning triivivad elektrivälja mõjul kiiresti. On tõenäosus, et selle protsessi käigus põrkavad elektronid võrega kokku, põhjustades võres olevate elektronide ionisatsiooni. See protsess kordub ja võres olevad ioniseeritud ioonid põrkuvad samuti võrega, põhjustades APD-s olevate laengukandjate arvu suurenemise, mille tulemuseks on suur vool. Just see ainulaadne füüsikaline mehhanism APD-s annab APD-põhistele detektoritele üldiselt kiire reageerimiskiiruse, suure voolutugevuse võimenduse ja kõrge tundlikkuse. Võrreldes PN-siirde ja PIN-siirdega on APD-l kiirem reageerimiskiirus, mis on praeguste valgustundlike elektronide seas kiireim reageerimiskiirus.

(5) Schottky ülemineku fotodetektor
Schottky siirde fotodetektori põhistruktuur on Schottky diood, mille elektrilised omadused on sarnased eespool kirjeldatud PN-siirde omadega ning millel on ühesuunaline juhtivus positiivse juhtivuse ja vastuvoolu piirväärtusega. Kui suure tööfunktsiooniga metall ja väikese tööfunktsiooniga pooljuht moodustavad kontakti, tekib Schottky barjäär ja tulemuseks on Schottky siire. Põhimehhanism on mõnevõrra sarnane PN-siirde omaga, võttes näiteks N-tüüpi pooljuhid, kui kaks materjali moodustavad kontakti, siis kahe materjali erineva elektronkontsentratsiooni tõttu difundeeruvad pooljuhi elektronid metalli poole. Hajutatud elektronid kogunevad pidevalt metalli ühte otsa, hävitades seeläbi metalli algse elektrilise neutraalsuse, moodustades pooljuhi ja metalli vahelise kontaktpinna vahelise sisseehitatud elektrivälja ning elektronid triivivad sisemise elektrivälja mõjul ning laengukandjate difusiooni- ja triiviliikumine toimuvad samaaegselt, pärast dünaamilise tasakaalu saavutamise aega, moodustades lõpuks Schottky siirde. Valgustingimustes neelab barjääripiirkond valgust otse ja genereerib elektron-auk paare, samas kui PN-siirde sees olevad fotogenereeritud laengukandjad peavad üleminekupiirkonda jõudmiseks läbima difusioonipiirkonna. Võrreldes PN-siirdega on Schottky üleminekul põhineval fotodetektoril kiirem reageerimiskiirus ja reageerimiskiirus võib ulatuda isegi ns tasemeni.