ფოტოდეტექტორის მოწყობილობის სტრუქტურის ტიპი

ტიპიფოტოდეტექტორის მოწყობილობასტრუქტურა
ფოტოდეტექტორიარის მოწყობილობა, რომელიც ოპტიკურ სიგნალს ელექტრულ სიგნალად გარდაქმნის, მისი სტრუქტურა და მრავალფეროვნება ძირითადად შეიძლება დაიყოს შემდეგ კატეგორიებად:
(1) ფოტოგამტარი ფოტოდეტექტორი
როდესაც ფოტოგამტარი მოწყობილობები სინათლის ზემოქმედების ქვეშ არიან, ფოტოგენერირებული მატარებელი ზრდის მათ გამტარობას და ამცირებს წინაღობას. ოთახის ტემპერატურაზე აღგზნებული მატარებლები ელექტრული ველის მოქმედებით მიმართულებით მოძრაობენ, რითაც წარმოქმნიან დენს. სინათლის პირობებში ელექტრონები აღგზნდება და ხდება გადასვლა. ამავდროულად, ელექტრული ველის მოქმედებით ისინი მოძრაობენ ფოტოდენის წარმოქმნით. შედეგად მიღებული ფოტოგენერირებული მატარებლები ზრდის მოწყობილობის გამტარობას და ამით ამცირებს წინაღობას. ფოტოგამტარი ფოტოდეტექტორები, როგორც წესი, ავლენენ მაღალ გაძლიერებას და დიდ რეაგირებას მუშაობაში, მაგრამ მათ არ შეუძლიათ მაღალი სიხშირის ოპტიკურ სიგნალებზე რეაგირება, ამიტომ რეაგირების სიჩქარე დაბალია, რაც ზოგიერთი ასპექტით ზღუდავს ფოტოგამტარი მოწყობილობების გამოყენებას.

(2)PN ფოტოდეტექტორი
PN ფოტოდეტექტორი წარმოიქმნება P-ტიპის ნახევარგამტარული მასალისა და N-ტიპის ნახევარგამტარული მასალის კონტაქტით. კონტაქტის წარმოქმნამდე, ორი მასალა ცალკეულ მდგომარეობაშია. P-ტიპის ნახევარგამტარში ფერმის დონე ვალენტური ზოლის კიდესთან ახლოსაა, ხოლო N-ტიპის ნახევარგამტარში ფერმის დონე გამტარობის ზოლის კიდესთან ახლოსაა. ამავდროულად, N-ტიპის მასალის ფერმის დონე გამტარობის ზოლის კიდეზე განუწყვეტლივ გადაადგილდება ქვევით, სანამ ორი მასალის ფერმის დონე ერთსა და იმავე პოზიციაში არ აღმოჩნდება. გამტარობისა და ვალენტური ზოლების პოზიციის ცვლილებას ასევე თან ახლავს ზოლის მოხრა. PN შეერთება წონასწორობაშია და აქვს ერთგვაროვანი ფერმის დონე. მუხტის მატარებლების ანალიზის თვალსაზრისით, P-ტიპის მასალებში მუხტის მატარებლების უმეტესობა ხვრელებია, ხოლო N-ტიპის მასალებში მუხტის მატარებლების უმეტესობა ელექტრონებია. როდესაც ორი მასალა კონტაქტშია, მატარებლების კონცენტრაციის სხვაობის გამო, N-ტიპის მასალებში ელექტრონები დიფუზირდება P-ტიპისკენ, ხოლო N-ტიპის მასალებში ელექტრონები დიფუზირდება ხვრელების საპირისპირო მიმართულებით. ელექტრონებისა და ხვრელების დიფუზიის შედეგად დარჩენილი არაკომპენსირებული არე წარმოქმნის ჩაშენებულ ელექტრულ ველს, ხოლო ჩაშენებული ელექტრული ველი მიმართულების მიხედვით გადამტანების დრიფტს განაპირობებს, დრიფტის მიმართულება კი დიფუზიის მიმართულების საპირისპიროა, რაც ნიშნავს, რომ ჩაშენებული ელექტრული ველის წარმოქმნა ხელს უშლის გადამტანების დიფუზიას და PN შეერთების შიგნით ხდება როგორც დიფუზია, ასევე დრიფტი, სანამ ორი სახის მოძრაობა არ დაბალანსდება, ისე, რომ სტატიკური გადამტანების ნაკადი ნულის ტოლი იქნება. შინაგანი დინამიური ბალანსი.
როდესაც PN შეერთება სინათლის გამოსხივების ზემოქმედების ქვეშ მოექცევა, ფოტონის ენერგია გადაეცემა მატარებელს და წარმოიქმნება ფოტოგენერირებული მატარებელი, ანუ ფოტოგენერირებული ელექტრონ-ხვრელის წყვილი. ელექტრული ველის მოქმედებით, ელექტრონი და ხვრელი შესაბამისად N და P რეგიონში გადაადგილდება, ხოლო ფოტოგენერირებული მატარებლის მიმართულებითი დრიფტი წარმოქმნის ფოტოდენს. ეს არის PN შეერთების ფოტოდეტექტორის ძირითადი პრინციპი.

(3)PIN ფოტოდეტექტორი
პინ-ფოტოდიოდი არის P-ტიპის და N-ტიპის მასალისგან შემდგარი I ფენა, მასალის I ფენა ზოგადად არის შინაგანი ან დაბალი დოპინგის მქონე მასალა. მისი მუშაობის მექანიზმი მსგავსია PN შეერთებისა, როდესაც PIN შეერთება ექვემდებარება სინათლის გამოსხივებას, ფოტონი ენერგიას გადასცემს ელექტრონს, წარმოქმნის ფოტოგენერირებულ მუხტის მატარებლებს, ხოლო შიდა ან გარე ელექტრული ველი გამოყოფს ფოტოგენერირებულ ელექტრონ-ხვრელის წყვილებს გამოფიტვის ფენაში, ხოლო გადაადგილებული მუხტის მატარებლები წარმოქმნიან დენს გარე წრედში. I ფენის როლი არის გამოფიტვის ფენის სიგანის გაფართოება, ხოლო I ფენა მთლიანად გადაიქცევა გამოფიტვის ფენად დიდი ძაბვის ქვეშ, ხოლო წარმოქმნილი ელექტრონ-ხვრელის წყვილები სწრაფად გამოიყოფა, ამიტომ PIN შეერთების ფოტოდეტექტორის რეაგირების სიჩქარე ზოგადად უფრო სწრაფია, ვიდრე PN შეერთების დეტექტორის. I ფენის გარეთ არსებული მატარებლებიც გროვდება გამოფიტვის ფენის მიერ დიფუზიური მოძრაობით, რაც წარმოქმნის დიფუზიურ დენს. I ფენის სისქე ზოგადად ძალიან თხელია და მისი დანიშნულებაა დეტექტორის რეაგირების სიჩქარის გაუმჯობესება.

(4)APD ფოტოდეტექტორიზვავის ფოტოდიოდი
მექანიზმიზვავის ფოტოდიოდიმსგავსია PN შეერთების. APD ფოტოდეტექტორი იყენებს ძლიერ დოპირებულ PN შეერთებას, APD-ის აღმოჩენაზე დაფუძნებული სამუშაო ძაბვა დიდია და როდესაც ემატება დიდი უკუგადახრა, APD-ის შიგნით მოხდება შეჯახების იონიზაცია და ზვავისებური გამრავლება, ხოლო დეტექტორის მუშაობა იზრდება ფოტოდენით. როდესაც APD უკუგადახრის რეჟიმშია, გამოფიტვის ფენაში ელექტრული ველი ძალიან ძლიერი იქნება და სინათლით წარმოქმნილი ფოტოგენერირებული მატარებლები სწრაფად გამოიყოფა და ელექტრული ველის მოქმედების ქვეშ სწრაფად გადაადგილდება. არსებობს ალბათობა, რომ ამ პროცესის დროს ელექტრონები შეეჯახებიან ბადეს, რაც გამოიწვევს ბადეში არსებული ელექტრონების იონიზაციას. ეს პროცესი მეორდება და ბადეში არსებული იონიზებული იონებიც ეჯახებიან ბადეს, რაც იწვევს APD-ში მუხტის მატარებლების რაოდენობის ზრდას, რაც იწვევს დიდ დენს. სწორედ APD-ის შიგნით არსებული ეს უნიკალური ფიზიკური მექანიზმია, რის გამოც APD-ზე დაფუძნებულ დეტექტორებს ზოგადად აქვთ სწრაფი რეაგირების სიჩქარე, დიდი დენის მნიშვნელობის მომატება და მაღალი მგრძნობელობა. PN შეერთებასთან და PIN შეერთებასთან შედარებით, APD-ს აქვს უფრო სწრაფი რეაგირების სიჩქარე, რაც ყველაზე სწრაფი რეაგირების სიჩქარეა მიმდინარე ფოტომგრძნობიარე მილებს შორის.

(5) შოტკის შეერთების ფოტოდეტექტორი
შოტკის შეერთების ფოტოდეტექტორის ძირითადი სტრუქტურა არის შოტკის დიოდი, რომლის ელექტრული მახასიათებლები მსგავსია ზემოთ აღწერილი PN შეერთების მახასიათებლებისა და მას აქვს ცალმხრივი გამტარობა დადებითი გამტარობით და უკუგადამკვეთით. როდესაც მაღალი სამუშაო ფუნქციის მქონე ლითონი და დაბალი სამუშაო ფუნქციის მქონე ნახევარგამტარი კონტაქტს ამყარებენ, წარმოიქმნება შოტკის ბარიერი და შედეგად მიღებული შეერთება არის შოტკის შეერთება. ძირითადი მექანიზმი გარკვეულწილად მსგავსია PN შეერთების, მაგალითად N-ტიპის ნახევარგამტარების, როდესაც ორი მასალა კონტაქტს ამყარებს, ორი მასალის სხვადასხვა ელექტრონული კონცენტრაციის გამო, ნახევარგამტარში ელექტრონები დიფუზირდება ლითონის მხარეს. დიფუზური ელექტრონები განუწყვეტლივ გროვდება ლითონის ერთ ბოლოში, რითაც არღვევს ლითონის თავდაპირველ ელექტრულ ნეიტრალიტეტს, ქმნის ჩაშენებულ ელექტრულ ველს ნახევარგამტარიდან ლითონისკენ შეხების ზედაპირზე და ელექტრონები გადაადგილდებიან შიდა ელექტრული ველის მოქმედებით, ხოლო მატარებლის დიფუზია და დრიფტის მოძრაობა ერთდროულად განხორციელდება, გარკვეული პერიოდის შემდეგ დინამიური წონასწორობის მიღწევამდე და საბოლოოდ შოტკის შეერთების ფორმირებამდე. სინათლის პირობებში, ბარიერული რეგიონი პირდაპირ შთანთქავს სინათლეს და წარმოქმნის ელექტრონ-ხვრელის წყვილებს, ხოლო PN შეერთების შიგნით ფოტოგენერირებულ მატარებლებს შეერთების რეგიონამდე მისასვლელად დიფუზიის რეგიონის გავლა სჭირდებათ. PN შეერთებასთან შედარებით, შოტკის შეერთებაზე დაფუძნებულ ფოტოდეტექტორს უფრო სწრაფი რეაგირების სიჩქარე აქვს და რეაგირების სიჩქარემ შეიძლება ns დონესაც კი მიაღწიოს.