Loại cấu trúc thiết bị tách sóng quang

Loạithiết bị tách sóng quangkết cấu
Bộ tách sóng quanglà một thiết bị chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, ‌ cấu trúc và sự đa dạng của nó, ‌ có thể được chia chủ yếu thành các loại sau: ‌
(1) Bộ tách sóng quang dẫn
Khi các thiết bị quang dẫn tiếp xúc với ánh sáng, chất mang được tạo ra sẽ làm tăng độ dẫn điện và giảm điện trở của chúng. Các chất mang được kích thích ở nhiệt độ phòng sẽ chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường, do đó tạo ra dòng điện. Dưới điều kiện ánh sáng, các electron bị kích thích và xảy ra quá trình chuyển tiếp. Đồng thời chúng trôi dạt dưới tác dụng của điện trường tạo thành dòng quang điện. Kết quả là các hạt mang quang được tạo ra làm tăng độ dẫn điện của thiết bị và do đó làm giảm điện trở. Bộ tách sóng quang dẫn thường cho thấy mức tăng cao và khả năng đáp ứng lớn về hiệu suất, nhưng chúng không thể đáp ứng với tín hiệu quang tần số cao, do đó tốc độ phản hồi chậm, điều này hạn chế ứng dụng của thiết bị quang dẫn ở một số khía cạnh.

(2)bộ tách sóng quang PN
Bộ tách sóng quang PN được hình thành do sự tiếp xúc giữa vật liệu bán dẫn loại P và vật liệu bán dẫn loại N. Trước khi tiếp xúc được hình thành, hai vật liệu ở trạng thái riêng biệt. Mức Fermi trong chất bán dẫn loại P nằm sát rìa của dải hóa trị, trong khi mức Fermi trong chất bán dẫn loại N nằm sát rìa của dải dẫn. Đồng thời, mức Fermi của vật liệu loại N ở rìa vùng dẫn liên tục dịch chuyển xuống dưới cho đến khi mức Fermi của hai vật liệu ở cùng một vị trí. Sự thay đổi vị trí của dải dẫn và dải hóa trị cũng đi kèm với sự uốn cong của dải. Điểm nối PN ở trạng thái cân bằng và có mức Fermi đồng nhất. Từ khía cạnh phân tích hạt mang điện, hầu hết hạt mang điện trong vật liệu loại P là lỗ trống, trong khi hầu hết hạt mang điện trong vật liệu loại N là electron. Khi hai vật liệu tiếp xúc với nhau, do chênh lệch nồng độ hạt tải điện nên các electron ở vật liệu loại N sẽ khuếch tán sang loại P, còn các electron ở vật liệu loại N sẽ khuếch tán theo hướng ngược lại với lỗ trống. Vùng không bù do sự khuếch tán của electron và lỗ trống để lại sẽ tạo thành một điện trường tích hợp và điện trường tích hợp sẽ có xu hướng trôi dạt sóng mang và hướng trôi ngược lại với hướng khuếch tán, có nghĩa là sự hình thành của điện trường tích hợp ngăn cản sự khuếch tán của các hạt mang điện, đồng thời có cả sự khuếch tán và trôi dạt bên trong điểm nối PN cho đến khi hai loại chuyển động cân bằng, sao cho dòng hạt tải tĩnh bằng không. Cân bằng động bên trong.
Khi điểm nối PN tiếp xúc với bức xạ ánh sáng, năng lượng của photon được truyền đến hạt mang và hạt mang được tạo ra, tức là cặp electron-lỗ trống được tạo ra được tạo ra. Dưới tác dụng của điện trường, electron và lỗ trống lần lượt trôi dạt đến vùng N và vùng P, và sự trôi dạt có hướng của chất mang quang tạo ra dòng quang điện. Đây là nguyên lý cơ bản của bộ tách sóng quang tiếp giáp PN.

(3)bộ tách sóng quang PIN
Pin photodiode là vật liệu loại P và vật liệu loại N nằm giữa lớp I, lớp I của vật liệu nói chung là vật liệu nội tại hoặc vật liệu có độ pha tạp thấp. Cơ chế hoạt động của nó tương tự như tiếp giáp PN, khi tiếp xúc PIN tiếp xúc với bức xạ ánh sáng, photon truyền năng lượng cho electron, tạo ra các hạt mang điện tích quang và điện trường bên trong hoặc điện trường bên ngoài sẽ tách lỗ electron quang sinh ra. các cặp trong lớp cạn kiệt và các hạt mang điện bị trôi sẽ tạo thành dòng điện ở mạch ngoài. Vai trò của lớp I là mở rộng chiều rộng của lớp suy giảm và lớp I sẽ hoàn toàn trở thành lớp suy giảm dưới điện áp phân cực lớn và các cặp lỗ electron được tạo ra sẽ nhanh chóng bị tách ra, do đó tốc độ phản ứng của Bộ tách sóng quang tiếp giáp PIN thường nhanh hơn bộ tách sóng tiếp giáp PN. Các chất mang bên ngoài lớp I cũng được lớp suy giảm thu thập thông qua chuyển động khuếch tán, tạo thành dòng khuếch tán. Độ dày của lớp I nhìn chung rất mỏng và mục đích của nó là cải thiện tốc độ phản hồi của máy dò.

(4)Bộ tách sóng quang APDphotodiode tuyết lở
Cơ chế củaphotodiode tuyết lởtương tự như tiếp giáp PN. Bộ tách sóng quang APD sử dụng điểm nối PN pha tạp mạnh, điện áp hoạt động dựa trên phát hiện APD lớn và khi thêm độ lệch ngược lớn, quá trình ion hóa va chạm và nhân tuyết lở sẽ xảy ra bên trong APD và hiệu suất của máy dò được tăng cường dòng quang. Khi APD ở chế độ phân cực ngược, điện trường trong lớp suy giảm sẽ rất mạnh và các hạt mang quang do ánh sáng tạo ra sẽ nhanh chóng bị tách ra và trôi nhanh dưới tác dụng của điện trường. Có khả năng các electron sẽ va vào mạng trong quá trình này, khiến các electron trong mạng bị ion hóa. Quá trình này được lặp lại và các ion bị ion hóa trong mạng cũng va chạm với mạng, khiến số hạt mang điện trong APD tăng lên, dẫn đến dòng điện lớn. Chính cơ chế vật lý độc đáo này bên trong APD mà các máy dò dựa trên APD thường có đặc điểm là tốc độ phản hồi nhanh, mức tăng giá trị dòng điện lớn và độ nhạy cao. So với mối nối PN và mối nối PIN, APD có tốc độ phản hồi nhanh hơn, đây là tốc độ phản hồi nhanh nhất trong số các ống cảm quang hiện nay.

(5) Bộ tách sóng quang tiếp giáp Schottky
Cấu trúc cơ bản của bộ tách sóng quang tiếp giáp Schottky là một diode Schottky, có đặc tính điện tương tự như đặc tính điện của tiếp giáp PN được mô tả ở trên và nó có độ dẫn điện một chiều với độ dẫn dương và cắt ngược. Khi một kim loại có công năng cao và chất bán dẫn có công năng thấp tiếp xúc với nhau, hàng rào Schottky được hình thành và điểm nối kết quả là điểm nối Schottky. Cơ chế chính có phần giống với tiếp giáp PN, lấy chất bán dẫn loại N làm ví dụ, khi hai vật liệu hình thành tiếp xúc, do nồng độ electron của hai vật liệu khác nhau nên các electron trong chất bán dẫn sẽ khuếch tán sang phía kim loại. Các electron khuếch tán tích tụ liên tục ở một đầu của kim loại, do đó phá hủy tính trung hòa điện ban đầu của kim loại, tạo thành một điện trường tích hợp từ chất bán dẫn đến kim loại trên bề mặt tiếp xúc và các electron sẽ trôi dạt dưới tác dụng của điện trường bên trong, đồng thời chuyển động khuếch tán và trôi của chất mang sẽ được thực hiện đồng thời, sau một thời gian đạt đến trạng thái cân bằng động và cuối cùng tạo thành điểm nối Schottky. Trong điều kiện ánh sáng, vùng rào cản hấp thụ trực tiếp ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, trong khi các hạt mang quang được tạo ra bên trong điểm nối PN cần phải đi qua vùng khuếch tán để đến vùng tiếp giáp. So với đường giao nhau PN, bộ tách sóng quang dựa trên đường giao nhau Schottky có tốc độ phản hồi nhanh hơn và tốc độ phản hồi thậm chí có thể đạt tới mức ns.