光検出器デバイスの構造の種類

種類光検出器デバイス構造
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に分類できます。
（１）光伝導型光検出器
光伝導デバイスは、光照射を受けると、光生成キャリアによって導電率が増加し、抵抗が減少します。室温で励起されたキャリアは、電界の作用によって方向性を持って移動し、電流を生成します。光照射下では、電子が励起され、遷移が起こります。同時に、電子は電界の作用によってドリフトし、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、デバイスの導電率を増加させ、抵抗を減少させます。光伝導型光検出器は通常、高いゲイン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範囲が制限される場合があります。

（２）PNフォトディテクタ
PNフォトディテクタは、P型半導体材料とN型半導体材料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っています。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ちます。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大部分は正孔であり、N型材料の電荷キャリアの大部分は電子です。 2つの材料が接触すると、キャリア濃度の違いにより、N型材料中の電子はP型材料へ拡散し、N型材料中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生じた補償されていない領域には内部電界が形成され、この内部電界によってキャリアのドリフトが生じます。ドリフトの方向は拡散の方向と正反対であるため、内部電界の形成によってキャリアの拡散が抑制されます。PN接合内部では、拡散とドリフトの両方の動きが平衡状態になるまで続き、静的キャリアフローがゼロとなり、内部動的平衡が保たれます。
PN接合に光が照射されると、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領域へとドリフトし、光生成キャリアの方向性ドリフトによって光電流が発生します。これがPN接合型光検出器の基本原理です。

（３）PINフォトディテクタ
PINフォトダイオードは、P型材料とN型材料の間にI層が挟まれた構造で、I層の材料は一般的に真性材料または低ドープ材料です。その動作原理はPN接合と類似しており、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て光生成電荷キャリアが生成されます。内部電界または外部電界によって、空乏層内の光生成電子-正孔対が分離され、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を印加するとI層は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、PIN接合フォトディテクタの応答速度は一般的にPN接合フォトディテクタよりも速くなります。I層の外側のキャリアも拡散運動によって空乏層に収集され、拡散電流を形成します。ヨウ素層の厚さは一般的に非常に薄く、その目的は検出器の応答速度を向上させることである。

（４）APD光検出器アバランシェフォトダイオード
メカニズムアバランシェフォトダイオードPN接合と同様です。APDフォトディテクタは高濃度ドープPN接合を使用しており、APD検出に基づく動作電圧は大きく、大きな逆バイアスを加えると、APD内部で衝突電離とアバランシェ増倍が発生し、検出器の性能が向上して光電流が増加します。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なり、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。この過程で電子が格子に衝突する可能性があり、格子内の電子が電離されます。このプロセスが繰り返され、格子内の電離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、大きな電流が発生します。APDベースの検出器が一般的に高速応答速度、大きな電流値ゲイン、高感度といった特性を持つのは、APD内部のこの独自の物理メカニズムによるものです。 PN接合やPIN接合と比較して、APDは応答速度が速く、現在の感光管の中で最速の応答速度を実現している。

（５）ショットキー接合型光検出器
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、その電気的特性は上述のPN接合と類似しており、正方向伝導と逆方向遮断による一方向性伝導性を有します。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、結果としてショットキー接合が形成されます。主なメカニズムはPN接合とやや似ており、N型半導体を例にとると、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、半導体中の電子が金属側に拡散します。拡散した電子は金属の一端に連続的に蓄積され、金属の本来の電気的中性を破壊し、接触面上の半導体から金属への内部電界を形成します。電子は内部電界の作用によりドリフトし、キャリアの拡散とドリフト運動が同時に行われ、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。光照射下では、バリア領域が光を直接吸収して電子・正孔対を生成する一方、PN接合内部で光生成され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、応答速度はナノ秒レベルに達することもあります。