種類光検出装置構造
光検出器光信号を電気信号に変換する装置であり、その構造と種類は主に以下のカテゴリーに分けられます。
（１）光導電性光検出器
光伝導デバイスは光に晒されると、光生成キャリアによって導電性が向上し、抵抗が低下します。室温で励起されたキャリアは電界の作用下で方向性を持って移動し、電流を生成します。光が照射されると、電子が励起され遷移が起こります。同時に、電子は電界の作用下でドリフトし、光電流を形成します。その結果生じた光生成キャリアはデバイスの導電性を高め、抵抗を低下させます。光伝導型光検出器は通常、高い利得と優れた応答性を示しますが、高周波光信号には応答できないため、応答速度が遅く、光伝導デバイスの応用にはいくつかの制限があります。
（2）PN光検出器
PN光検出器は、P型半導体材料とN型半導体材料との接触によって形成されます。接触が形成される前は、2つの材料は別々の状態にあります。P型半導体のフェルミ準位は価電子帯の端に近く、N型半導体のフェルミ準位は伝導帯の端に近くなります。同時に、伝導帯端にあるN型材料のフェルミ準位は、2つの材料のフェルミ準位が同じ位置になるまで連続的に下方にシフトします。伝導帯と価電子帯の位置の変化は、バンドの曲がりを伴います。PN接合は平衡状態にあり、均一なフェルミ準位を持っています。電荷キャリア分析の観点から見ると、P型材料の電荷キャリアのほとんどは正孔であり、N型材料の電荷キャリアのほとんどは電子です。 2つの材料が接触すると、キャリア濃度の差により、N型材料中の電子はP型へ拡散し、N型材料中の電子は正孔と反対方向に拡散します。電子と正孔の拡散によって生じた補償されない領域は内部電界を形成し、この内部電界はキャリアのドリフトを引き起こします。ドリフトの方向は拡散方向と正反対です。つまり、内部電界の形成はキャリアの拡散を抑制し、PN接合内部では拡散とドリフトが同時に発生します。この2つの運動が均衡するまで、静的キャリアフローはゼロになります。内部動的バランス。
PN接合が光照射を受けると、光子のエネルギーがキャリアに伝達され、光生成キャリア、すなわち光生成電子正孔対が生成されます。電界の作用により、電子と正孔はそれぞれN領域とP領域へ移動し、光生成キャリアの方向移動によって光電流が発生します。これがPN接合光検出器の基本原理です。
（3）PIN光検出器
PINフォトダイオードは、P型材料とN型材料を挟んでI層に挟まれた構造で、I層は通常、真性ドーピングまたは低ドーピング材料です。その動作メカニズムはPN接合と似ており、PIN接合が光照射を受けると、光子が電子にエネルギーを伝達し、光生成電荷キャリアを生成します。内部電界または外部電界によって、光生成電子正孔対が空乏層に分離され、漂流した電荷キャリアが外部回路に電流を形成します。I層の役割は、空乏層の幅を広げることです。大きなバイアス電圧を印加すると、I層は完全に空乏層となり、発生した電子正孔対は急速に分離されます。そのため、PIN接合光検出器の応答速度は、通常、PN接合検出器よりも速くなります。I層外のキャリアも拡散運動によって空乏層に集められ、拡散電流を形成します。 I 層の厚さは一般に非常に薄く、検出器の応答速度を向上させることがその目的です。
（4）APD光検出器アバランシェフォトダイオード
のメカニズムアバランシェフォトダイオードPN接合の場合と似ています。APD光検出器は、高濃度ドープのPN接合を使用しており、APD検出に基づく動作電圧が大きく、大きな逆バイアスが加えられると、APD内部で衝突イオン化とアバランシェ増倍が発生し、検出器の性能が向上し、光電流が増加します。 APDが逆バイアスモードにあるとき、空乏層内の電界は非常に強くなり、光によって生成された光生成キャリアは急速に分離され、電界の作用で急速にドリフトします。 この過程で電子が格子に衝突し、格子内の電子がイオン化される可能性があります。 このプロセスが繰り返され、格子内のイオン化されたイオンも格子に衝突し、APD内の電荷キャリアの数が増加して大きな電流が発生します。 APDベースの検出器が一般に応答速度が速く、電流値ゲインが大きく、感度が高いという特性を持っているのは、APD内部のこの独特の物理的メカニズムによるものです。 APD は PN 接合や PIN 接合に比べて応答速度が速く、現在の感光管の中で最も応答速度が速いです。
(5) ショットキー接合光検出器
ショットキー接合型光検出器の基本構造はショットキーダイオードであり、その電気的特性は前述のPN接合と類似しており、正方向伝導と逆方向遮断の単方向導電性を有します。仕事関数の高い金属と仕事関数の低い半導体が接触すると、ショットキー障壁が形成され、結果として生じる接合がショットキー接合となります。主なメカニズムはPN接合とほぼ同様で、N型半導体を例に挙げると、2つの物質が接触すると、2つの物質の電子濃度の差により、半導体内の電子が金属側へ拡散します。拡散した電子は金属の一端に連続的に蓄積され、金属本来の電気的中性を破壊します。これにより、接触面において半導体から金属への内部電界が形成されます。電子は内部電界の作用を受けてドリフトし、キャリアの拡散とドリフト運動が同時に進行します。そして、ある一定時間後に動的平衡に達し、最終的にショットキー接合を形成します。光条件下では、バリア領域が直接光を吸収して電子正孔対を生成しますが、PN接合内部で光生成したキャリアは拡散領域を通過して接合領域に到達する必要があります。PN接合と比較して、ショットキー接合に基づく光検出器は応答速度が速く、nsレベルに達することもあります。
投稿日時: 2024年8月13日