Tyyppivaloilmaisinlaiterakenne
Valoilmaisinon laite, joka muuntaa optisen signaalin sähköiseksi signaaliksi, sen rakenne ja lajike voidaan jakaa pääasiassa seuraaviin luokkiin:
(1) Valojohteinen valoilmaisin
Kun valojohtavia laitteita altistetaan valolle, valolla tuotettu varauksenkuljettaja lisää niiden johtavuutta ja vähentää niiden resistanssia. Huoneenlämmössä virittyneet varauksenkuljettajat liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta suuntaavassa liikkeessä, jolloin syntyy virta. Valon vaikutuksesta elektronit virittyvät ja tapahtuu siirtymä. Samanaikaisesti ne ajautuvat sähkökentän vaikutuksesta muodostaen valovirran. Tuloksena olevat valolla tuotetut varauksenkuljettajat lisäävät laitteen johtavuutta ja siten vähentävät resistanssia. Valojohtavilla valoilmaisimilla on yleensä suuri vahvistus ja erinomainen reagointikyky, mutta ne eivät pysty reagoimaan korkeataajuisiin optisiin signaaleihin, joten vastenopeus on hidas, mikä rajoittaa valojohtavien laitteiden käyttöä joissakin suhteissa.
(2)PN-fotodetektori
PN-fotodetektori muodostuu P-tyypin puolijohdemateriaalin ja N-tyypin puolijohdemateriaalin välisestä kontaktista. Ennen kontaktin muodostumista nämä kaksi materiaalia ovat erillisessä tilassa. P-tyypin puolijohteen Fermi-taso on lähellä valenssivyöhykkeen reunaa, kun taas N-tyypin puolijohteen Fermi-taso on lähellä johtamisvyöhykkeen reunaa. Samanaikaisesti N-tyypin materiaalin Fermi-taso johtamisvyöhykkeen reunalla siirtyy jatkuvasti alaspäin, kunnes molempien materiaalien Fermi-taso on samassa paikassa. Johtamisvyöhykkeen ja valenssivyöhykkeen sijainnin muutokseen liittyy myös vyöhykkeen taipuminen. PN-liitos on tasapainossa ja sillä on tasainen Fermi-taso. Varauksenkuljettajien analyysin näkökulmasta suurin osa P-tyypin materiaalien varauksenkuljettajista on aukkoja, kun taas suurin osa N-tyypin materiaalien varauksenkuljettajista on elektroneja. Kun nämä kaksi materiaalia ovat kosketuksessa, varauksenkuljettajien pitoisuuserojen vuoksi N-tyypin materiaalien elektronit diffundoituvat P-tyyppiin, kun taas N-tyypin materiaalien elektronit diffundoituvat vastakkaiseen suuntaan reikiin. Elektronien ja aukkojen diffuusion jättämä kompensoimaton alue muodostaa sisäänrakennetun sähkökentän, ja sisäänrakennettu sähkökenttä aiheuttaa varauksenkuljettajien ajautumista, ja ajautumisen suunta on juuri päinvastainen kuin diffuusio. Tämä tarkoittaa, että sisäänrakennetun sähkökentän muodostuminen estää varauksenkuljettajien diffuusion, ja PN-liitoksen sisällä tapahtuu sekä diffuusiota että ajautumista, kunnes nämä kaksi liikettä ovat tasapainossa, niin että staattinen varauksenkuljettajien virtaus on nolla. Sisäinen dynaaminen tasapaino.
Kun PN-liitos altistetaan valosäteilylle, fotonin energia siirtyy kantoaallonkuljettajalle, ja fotogeneroitunut kantoaallonkuljettaja eli fotogeneroitunut elektroni-aukko-pari syntyy. Sähkökentän vaikutuksesta elektroni ja aukko ajautuvat vastaavasti N-alueelle ja P-alueelle, ja fotogeneroituneen kantoaallonkuljettajan suuntaajautuminen synnyttää fotovirtaa. Tämä on PN-liitoksen fotodetektorin perusperiaate.
(3)PIN-valoilmaisin
Pin-fotodiodi on P- ja N-tyypin materiaali I-kerroksen välissä. Materiaalin I-kerros on yleensä sisäinen tai mataladopinginen materiaali. Sen toimintamekanismi on samanlainen kuin PN-liitoksessa. Kun PIN-liitos altistetaan valosäteilylle, fotoni siirtää energiaa elektronille, jolloin syntyy fotogeneroituneita varauksenkuljettajia. Sisäinen tai ulkoinen sähkökenttä erottaa fotogeneroituneet elektroni-aukko-parit tyhjennyskerroksessa, ja ajautuneet varauksenkuljettajat muodostavat virran ulkoiseen piiriin. Kerros I laajentaa tyhjennyskerroksen leveyttä, jolloin kerros I muuttuu kokonaan tyhjennyskerrokseksi suuren esijännitteen alla. Syntyneet elektroni-aukko-parit erottuvat nopeasti, joten PIN-liitoksen fotodetektorin vastenopeus on yleensä nopeampi kuin PN-liitoksen ilmaisimen. Myös I-kerroksen ulkopuoliset varauksenkuljettajat kerääntyvät tyhjennyskerrokseen diffuusioliikkeen avulla, jolloin muodostuu diffuusiovirta. I-kerroksen paksuus on yleensä hyvin ohut, ja sen tarkoituksena on parantaa ilmaisimen vastenopeutta.
(4)APD-valoilmaisinlumivyöryfotodiodi
Mekanismilumivyöryfotodiodion samanlainen kuin PN-liitoksessa. APD-fotodetektori käyttää voimakkaasti seostettua PN-liitosta, APD-ilmaisuun perustuva käyttöjännite on suuri, ja kun lisätään suuri käänteinen esijännite, APD:n sisällä tapahtuu törmäysionisaatiota ja lumivyörykertoja, mikä parantaa ilmaisimen suorituskykyä valovirran suhteen. Kun APD on käänteisessä esijännitetilassa, ehtymiskerroksen sähkökenttä on erittäin voimakas, ja valon synnyttämät fotogeneraattorit erottuvat nopeasti ja ajautuvat nopeasti sähkökentän vaikutuksesta. On todennäköistä, että elektronit törmäävät hilaan tämän prosessin aikana, jolloin hilan elektronit ionisoituvat. Tämä prosessi toistuu, ja hilan ionisoituneet ionit törmäävät myös hilaan, jolloin APD:n varauksenkuljettajien määrä kasvaa ja virta kasvaa. Juuri tämän ainutlaatuisen fysikaalisen mekanismin ansiosta APD-pohjaisilla ilmaisimilla on yleensä nopea vasteaika, suuri virranvahvistus ja korkea herkkyys. Verrattuna PN- ja PIN-liitokseen APD:llä on nopeampi vasteaika, joka on nopein nykyisten valoherkkien putkien joukossa.
(5) Schottky-liitoksen fotodetektori
Schottky-liitoksen fotodetektorin perusrakenne on Schottky-diodi, jonka sähköiset ominaisuudet ovat samankaltaiset kuin edellä kuvatun PN-liitoksen, ja sillä on yksisuuntainen johtavuus positiivisella johtavuudella ja vastakkaisella katkaisulla. Kun suuren työfunktion omaava metalli ja pienen työfunktion omaava puolijohde muodostavat kosketuksen, muodostuu Schottky-este, ja tuloksena oleva liitos on Schottky-liitos. Päämekanismi on jonkin verran samanlainen kuin PN-liitoksessa, esimerkiksi N-tyypin puolijohteissa. Kun kaksi materiaalia muodostaa kosketuksen, materiaalien erilaisten elektronipitoisuuksien vuoksi puolijohteen elektronit diffundoituvat metallin puolelle. Difundoituneet elektronit kerääntyvät jatkuvasti metallin toiseen päähän, mikä tuhoaa metallin alkuperäisen sähköisen neutraalisuuden ja muodostaa sisäänrakennetun sähkökentän puolijohteesta metalliin kosketuspinnalle. Elektronit ajautuvat sisäisen sähkökentän vaikutuksesta. Varauksenkuljettajien diffuusio- ja ajautumisliike tapahtuvat samanaikaisesti, tietyn ajan kuluttua dynaamisen tasapainon saavuttamiseksi, ja lopulta muodostuu Schottky-liitos. Valo-olosuhteissa estealue absorboi valoa suoraan ja muodostaa elektroni-aukko-pareja, kun taas PN-liitoksen sisällä olevien valontuottajien on kuljettava diffuusioalueen läpi päästäkseen liitosalueelle. PN-liitokseen verrattuna Schottky-liitokseen perustuvalla fotodetektorilla on nopeampi vastenopeus, ja vastenopeus voi jopa saavuttaa ns-tason.
Julkaisun aika: 13. elokuuta 2024