受光素子の構造の種類

の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次のカテゴリに分類できます。
(1) 光導電型受光素子
光伝導デバイスが光にさらされると、光生成されたキャリアによって伝導性が増加し、抵抗が減少します。室温で励起されたキャリアは、電場の作用下で方向性を持って移動し、電流を生成します。光が当たると電子が励起されて遷移が起こります。同時に、電場の作用下でドリフトして光電流を形成します。結果として生じる光生成キャリアはデバイスの導電性を増加させ、したがって抵抗を減少させます。光伝導型受光素子は一般に利得が高く、応答性に優れた性能を発揮しますが、高周波の光信号に応答できないため応答速度が遅く、光伝導素子の応用が制限される面があります。

(2)PN光検出器
PN 光検出器は、P 型半導体材料と N 型半導体材料の間の接触によって形成されます。接触が形成される前は、2 つの材料は分離した状態にあります。 P 型半導体のフェルミ準位は価電子帯の端に近いのに対し、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、伝導帯の端にある 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継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にはバンドの曲がりも伴います。 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すが、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、キャリア濃度の違いにより、N 型材料の電子は P 型に拡散しますが、N 型材料の電子は正孔とは逆方向に拡散します。電子と正孔の拡散によって残された補償されていない領域は内蔵電場を形成し、内蔵電場はキャリア ドリフトの傾向を示します。ドリフトの方向は拡散の方向とちょうど反対です。内蔵電界の形成によりキャリアの拡散が防止され、静的なキャリアの流れがゼロになるまで、PN 接合内部では拡散とドリフトの両方が発生します。内部ダイナミックバランス。
PN 接合が光放射にさらされると、光子のエネルギーがキャリアに転送され、光生成キャリア、つまり光生成電子正孔対が生成されます。電場の作用下で、電子と正孔はそれぞれ N 領域と P 領域にドリフトし、光生成キャリアの方向性ドリフトにより光電流が生成されます。これがPN接合受光素子の基本原理です。

(3)PIN光検出器
Pin フォトダイオードは、I 層の間にある P 型材料と N 型材料であり、材料の I 層は一般に真性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 接合が光放射にさらされると、光子が電子にエネルギーを伝達し、光生成された電荷キャリアが生成され、内部電場または外部電場によって光生成された電子と正孔が分離されます。空乏層内でペアが形成され、ドリフト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あり、大きなバイアス電圧下ではI層が完全に空乏層となり、生成された電子・正孔対が急速に分離されるため、空乏層の応答速度が低下します。 PIN 接合フォトディテクタは、一般に PN 接合ディテクタよりも高速です。 I 層の外側のキャリアも拡散運動により空乏層に収集され、拡散電流を形成します。 I 層の厚さは一般に非常に薄く、その目的は検出器の応答速度を向上させることです。

(4)APD光検出器アバランシェフォトダイオード
の仕組みアバランシェフォトダイオードPN接合と同様です。 APD光検出器は高濃度にドープされた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衝突イオン化とアバランシェ増倍がAPD内部で発生し、検出器の性能が光電流を増加させます。 APD が逆バイアス モードの場合、空乏層内の電界は非常に強く、光によって生成された光生成キャリアは電界の作用により急速に分離され、急速にドリフトします。このプロセス中に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。この過程が繰り返され、格子内のイオン化し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、大電流が発生します。 APD ベースの検出器は、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備えているのは、APD 内部のこのユニークな物理メカニズムによるものです。 APDはPN接合やPIN接合と比較して応答速度が速く、現行の受光管の中で最も速い応答速度を誇ります。

(5) ショットキー接合受光素子
ショットキー接合受光素子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接合と同様であり、正導通および逆遮断の一方向性導電性を持っています。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、その結果生じる接合がショットキー接合です。主なメカニズムは PN 接合に似ており、N 型半導体を例にとります。2 つの材料が接触すると、2 つの材料の電子濃度が異なるため、半導体内の電子は金属側に拡散します。拡散した電子は金属の一端に継続的に蓄積するため、金属本来の電気的中性が破壊され、接触面に半導体から金属への内蔵電界が形成され、電子は金属の作用によりドリフトします。内部電場、キャリアの拡散とドリフト運動が同時に実行され、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が形成されます。光条件下では、バリア領域は光を直接吸収して電子正孔対を生成しますが、PN 接合内部で光生成されたキャリアは接合領域に到達するために拡散領域を通過する必要があります。ショットキー接合に基づく光検出器は、PN 接合に比べて応答速度が速く、応答速度は ns レベルに達することもあります。