광 검출기 소자 구조의 종류

의 유형광검출기 장치구조
광검출기광신호를 전기신호로 변환하는 장치로, 그 구조와 종류는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다.
(1) 광전도성 광검출기
광전도 소자가 빛에 노출되면, 광생성된 캐리어는 전도도를 증가시키고 저항을 감소시킵니다. 실온에서 여기된 캐리어는 전기장의 작용으로 방향성을 가지며 이동하면서 전류를 생성합니다. 빛이 있는 조건에서는 전자가 여기되어 전이가 일어납니다. 동시에, 전자는 전기장의 작용으로 표류하여 광전류를 형성합니다. 이렇게 생성된 광생성 캐리어는 소자의 전도도를 증가시켜 저항을 감소시킵니다. 광전도 광검출기는 일반적으로 높은 이득과 뛰어난 성능 응답성을 보이지만, 고주파 광 신호에는 응답하지 못하여 응답 속도가 느려 광전도 소자의 응용 분야에 제한을 줍니다.

(2)PN 광검출기
PN 광검출기는 P형 반도체 물질과 N형 반도체 물질 사이의 접촉에 의해 형성됩니다. 접촉이 형성되기 전에 두 물질은 분리된 상태에 있습니다. P형 반도체의 페르미 레벨은 가전자대 가장자리에 가까운 반면 N형 반도체의 페르미 레벨은 전도대 가장자리에 가깝습니다. 동시에 전도대 가장자리에 있는 N형 물질의 페르미 레벨은 두 물질의 페르미 레벨이 같은 위치에 있을 때까지 계속 아래로 이동합니다. 전도대와 가전자대의 위치 변화는 또한 밴드의 굽힘을 동반합니다. PN 접합은 평형 상태에 있으며 균일한 페르미 레벨을 갖습니다. 전하 캐리어 분석의 관점에서 볼 때 P형 물질의 전하 캐리어의 대부분은 정공이고 N형 물질의 전하 캐리어의 대부분은 전자입니다. 두 물질이 접촉하면 캐리어 농도 차이로 인해 N형 물질의 전자는 P형으로 확산되고, N형 물질의 전자는 정공과 반대 방향으로 확산됩니다. 전자와 정공의 확산으로 인해 보상되지 않은 영역은 내장 전기장을 형성하고, 내장 전기장은 캐리어 드리프트를 발생시키며, 드리프트 방향은 확산 방향과 정반대입니다. 즉, 내장 전기장의 형성은 캐리어의 확산을 방지하고 PN 접합 내부에서 확산과 드리프트가 모두 발생하여 두 가지 운동이 균형을 이루게 되어 정적 캐리어 흐름이 0이 됩니다. 내부 동적 균형.
PN 접합에 빛을 쬐면 광자의 에너지가 캐리어로 전달되고, 광생성 캐리어, 즉 광생성 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 전기장의 작용으로 전자와 정공은 각각 N 영역과 P 영역으로 이동하고, 광생성 캐리어의 방향성 이동은 광전류를 생성합니다. 이것이 PN 접합 광검출기의 기본 원리입니다.

(3)PIN 광검출기
PIN 광전 다이오드는 P형 물질과 N형 물질이 I층 사이에 위치하며, 이 I층은 일반적으로 진성 또는 저도핑 물질입니다. 작동 원리는 PN 접합과 유사합니다. PIN 접합이 빛에 노출되면 광자가 전자로 에너지를 전달하여 광생성 전하 캐리어를 생성합니다. 내부 전기장 또는 외부 전기장은 광생성된 전자-정공 쌍을 공핍층에서 분리하고, 이동된 전하 캐리어는 외부 회로에 전류를 형성합니다. I층의 역할은 공핍층의 폭을 넓히는 것이며, 큰 바이어스 전압 하에서 I층은 완전히 공핍층이 되어 생성된 전자-정공 쌍을 빠르게 분리합니다. 따라서 PIN 접합 광 검출기의 응답 속도는 일반적으로 PN 접합 검출기보다 빠릅니다. I층 외부의 캐리어도 확산 운동을 통해 공핍층에 모여 확산 전류를 형성합니다. I층의 두께는 일반적으로 매우 얇으며, 검출기의 응답 속도를 향상시키는 것을 목적으로 합니다.

(4)APD 광검출기애벌랜치 포토다이오드
의 메커니즘애벌랜치 포토다이오드PN 접합과 유사합니다. APD 광검출기는 고농도로 도핑된 PN 접합을 사용하며, APD 검출에 기반한 작동 전압이 크고, 큰 역방향 바이어스가 가해지면 APD 내부에서 충돌 이온화와 애벌랜치 증폭이 발생하여 광전류가 증가하여 검출기 성능이 향상됩니다. APD가 역방향 바이어스 모드에 있을 때, 공핍층의 전기장은 매우 강해지고, 빛에 의해 생성된 광생성 캐리어는 전기장의 작용으로 빠르게 분리되어 빠르게 표류합니다. 이 과정에서 전자가 격자에 부딪혀 격자 내 전자가 이온화될 가능성이 있습니다. 이 과정이 반복되면 격자 내 이온화된 이온도 격자와 충돌하여 APD 내 전하 캐리어 수가 증가하여 큰 전류가 발생합니다. APD 기반 검출기는 일반적으로 빠른 응답 속도, 큰 전류 이득, 높은 감도라는 특징을 가지고 있습니다. APD는 PN 접합 및 PIN 접합에 비해 응답 속도가 빨라 현재 출시된 감광관 중 가장 빠른 응답 속도를 자랑합니다.

(5) 쇼트키 접합 광검출기
쇼트키 접합 광검출기의 기본 구조는 쇼트키 다이오드로, 전기적 특성은 앞서 설명한 PN 접합과 유사하며, 단방향 전도도와 양전하를 띠고 역방향 차단 특성을 보입니다. 높은 일함수를 갖는 금속과 낮은 일함수를 갖는 반도체가 접촉하면 쇼트키 장벽이 형성되어 쇼트키 접합이 형성됩니다. 주요 메커니즘은 PN 접합과 다소 유사하며, N형 반도체를 예로 들면, 두 물질이 접촉하면 두 물질의 전자 농도 차이로 인해 반도체 내 전자가 금속 쪽으로 확산됩니다. 확산된 전자는 금속의 한쪽 끝에 지속적으로 축적되어 금속의 원래 전기적 중성을 파괴하고, 접촉 표면에서 반도체에서 금속으로 내부 전계를 형성합니다. 전자는 내부 전계의 작용으로 표류하며, 캐리어의 확산과 표류 운동이 동시에 진행되어 일정 시간 후 동적 평형에 도달하여 최종적으로 쇼트키 접합을 형성합니다. 빛이 있는 조건에서는 장벽 영역이 빛을 직접 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 반면, PN 접합 내부에서 광생성된 캐리어는 확산 영역을 통과하여 접합 영역에 도달해야 합니다. 쇼트키 접합 기반 광검출기는 PN 접합에 비해 응답 속도가 빠르며, 응답 속도는 ns 수준에 도달할 수 있습니다.