نوع هيكل جهاز الكشف الضوئي

نوع منجهاز كشف الضوءبناء
كاشف ضوئيهو جهاز يقوم بتحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية، ويمكن تقسيم بنيته وتنوعه بشكل أساسي إلى الفئات التالية:
(1) كاشف ضوئي موصل للضوء
عند تعرض الأجهزة الموصلة للضوء، تزيد الناقلات المولدة ضوئيًا من موصليتها وتقل مقاومتها. تتحرك الناقلات المثارة في درجة حرارة الغرفة اتجاهيًا تحت تأثير مجال كهربائي، مما يُولّد تيارًا. في ظل الضوء، تُثار الإلكترونات ويحدث انتقال. في الوقت نفسه، تنجرف تحت تأثير مجال كهربائي لتكوين تيار ضوئي. تزيد الناقلات المولدة ضوئيًا الناتجة من موصلية الجهاز، وبالتالي تُقلل المقاومة. عادةً ما تُظهر الكواشف الضوئية الموصلة ضوئيًا كسبًا عاليًا واستجابة ممتازة في الأداء، لكنها لا تستجيب للإشارات الضوئية عالية التردد، لذا تكون سرعة الاستجابة بطيئة، مما يحد من استخدام الأجهزة الموصلة ضوئيًا في بعض الجوانب.

(2)كاشف ضوئي PN
يتشكل كاشف ضوئي PN عن طريق الاتصال بين مادة شبه موصلة من النوع P ومادة شبه موصلة من النوع N. قبل تكوين الاتصال، تكون المادتان في حالة منفصلة. يكون مستوى فيرمي في شبه الموصل من النوع P قريبًا من حافة نطاق التكافؤ، بينما يكون مستوى فيرمي في شبه الموصل من النوع N قريبًا من حافة نطاق التوصيل. في الوقت نفسه، يتم إزاحة مستوى فيرمي للمادة من النوع N عند حافة نطاق التوصيل باستمرار إلى الأسفل حتى يصبح مستوى فيرمي للمادتين في نفس الموضع. يصاحب تغيير موضع نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ أيضًا انحناء النطاق. تكون الوصلة PN في حالة توازن ولها مستوى فيرمي موحد. من منظور تحليل حاملات الشحنة، فإن معظم حاملات الشحنة في المواد من النوع P هي فجوات، بينما معظم حاملات الشحنة في المواد من النوع N هي إلكترونات. عند تلامس المادتين، وبسبب اختلاف تركيز الناقلات، تنتشر الإلكترونات في المواد من النوع N إلى المواد من النوع P، بينما تنتشر الإلكترونات في المواد من النوع N في الاتجاه المعاكس للفجوات. تُشكّل المساحة غير المُعوّضة الناتجة عن انتشار الإلكترونات والفجوات مجالًا كهربائيًا داخليًا، ويميل هذا المجال الكهربائي الداخلي إلى انجراف الناقلات، ويكون اتجاه الانجراف معاكسًا تمامًا لاتجاه الانتشار، مما يعني أن تكوين المجال الكهربائي الداخلي يمنع انتشار الناقلات، ويحدث كل من الانتشار والانجراف داخل الوصلة P-N حتى يتوازن نوعا الحركة، بحيث يكون تدفق الناقلات الساكنة صفرًا. توازن ديناميكي داخلي.
عند تعرض وصلة PN للإشعاع الضوئي، تنتقل طاقة الفوتون إلى الموجة الحاملة، فيتولد الناقل الضوئي، أي زوج الإلكترونات والفجوات الضوئية. تحت تأثير المجال الكهربائي، ينجرف الإلكترون والفجوات الضوئية إلى منطقتي N وP على التوالي، ويؤدي الانجراف الاتجاهي للموجة الحاملة الضوئية إلى توليد تيار ضوئي. هذا هو المبدأ الأساسي لكاشف الضوء بوصلة PN.

(3)كاشف ضوئي لرقم التعريف الشخصي
الثنائي الضوئي الدبوسي هو مادة من النوع P ومادة من النوع N بين الطبقة I، وعادةً ما تكون الطبقة I للمادة مادة ذاتية أو منخفضة التشريب. آلية عمله مشابهة لوصلة PN، فعندما تتعرض وصلة PIN لإشعاع ضوئي، ينقل الفوتون الطاقة إلى الإلكترون، مولدًا حاملات شحنة مُولّدة ضوئيًا، ويفصل المجال الكهربائي الداخلي أو الخارجي أزواج الإلكترونات والفجوات المُولّدة ضوئيًا في طبقة الاستنفاد، وتُشكّل حاملات الشحنة المنجرفة تيارًا في الدائرة الخارجية. دور الطبقة I هو توسيع عرض طبقة الاستنفاد، وتصبح الطبقة I طبقة استنفاد كاملةً تحت جهد انحياز كبير، وتُفصل أزواج الإلكترونات والفجوات المُولّدة بسرعة، لذا تكون سرعة استجابة كاشف الضوء لوصلة PIN أسرع عمومًا من كاشف الوصلة PN. كما تجمع طبقة الاستنفاد حاملات الشحنة خارج طبقة I من خلال حركة الانتشار، مُشكّلةً تيار انتشار. سمك الطبقة I يكون رقيقًا جدًا بشكل عام، والغرض منه هو تحسين سرعة استجابة الكاشف.

(4)كاشف ضوئي APDالصمام الثنائي الضوئي الانهياري
آليةالصمام الثنائي الضوئي الانهيارييشبه هذا الوضع وصلة PN. يستخدم كاشف APD الضوئي وصلة PN مشوّبة بكثافة، ويكون جهد التشغيل المعتمد على كشف APD كبيرًا، وعند إضافة انحياز عكسي كبير، يحدث تأين تصادمي وانهيار ثلجي داخل APD، ويزداد أداء الكاشف. عند وضع APD في وضع الانحياز العكسي، يكون المجال الكهربائي في طبقة الاستنفاد قويًا جدًا، وتنفصل حاملات الشحنة المولدة ضوئيًا الناتجة عن الضوء بسرعة وتنجرف بسرعة تحت تأثير المجال الكهربائي. هناك احتمال أن تصطدم الإلكترونات بالشبكة خلال هذه العملية، مما يؤدي إلى تأين الإلكترونات في الشبكة. تتكرر هذه العملية، وتصطدم الأيونات المتأينة في الشبكة أيضًا بالشبكة، مما يؤدي إلى زيادة عدد حاملات الشحنة في APD، مما ينتج عنه تيار كبير. هذه الآلية الفيزيائية الفريدة داخل APD هي ما يجعل الكواشف القائمة على APD تتميز عمومًا بسرعة استجابة عالية، وكسب تيار كبير، وحساسية عالية. بالمقارنة مع الوصلة PN والوصلة PIN، تتمتع APD بسرعة استجابة أسرع، وهي أسرع سرعة استجابة بين الأنابيب الحساسة للضوء الحالية.

(5) كاشف ضوئي لوصلة شوتكي
التركيب الأساسي لكاشف شوتكي الضوئي هو ثنائي شوتكي، الذي تتشابه خصائصه الكهربائية مع خصائص وصلة PN الموصوفة سابقًا، ويتميز بموصلية أحادية الاتجاه مع توصيل موجب وقاطع عكسي. عند تلامس معدن ذي دالة شغل عالية مع شبه موصل ذي دالة شغل منخفضة، يتشكل حاجز شوتكي، وتكون الوصلة الناتجة وصلة شوتكي. تشبه آلية عمل الوصلة PN إلى حد ما، ففي أشباه الموصلات من النوع N، عند تلامس مادتين، وبسبب اختلاف تركيز الإلكترونات فيهما، تنتشر الإلكترونات في شبه الموصل إلى جانب المعدن. تتراكم الإلكترونات المنتشرة باستمرار في أحد طرفي المعدن، مما يُدمر الحياد الكهربائي الأصلي للمعدن، ويشكل مجالًا كهربائيًا مدمجًا من شبه الموصل إلى المعدن على سطح التلامس، وتنجرف الإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي الداخلي، ويتم تنفيذ حركة انتشار وانجراف الناقل في وقت واحد، وبعد فترة من الوقت للوصول إلى التوازن الديناميكي، وتشكيل وصلة شوتكي أخيرًا. في ظروف الإضاءة، تمتص منطقة الحاجز الضوء مباشرة وتولد أزواجًا من الإلكترونات والفجوات، بينما تحتاج الناقلات المولدة ضوئيًا داخل وصلة PN إلى المرور عبر منطقة الانتشار للوصول إلى منطقة الوصلة. بالمقارنة مع وصلة PN، يتمتع الكاشف الضوئي القائم على وصلة شوتكي بسرعة استجابة أسرع، ويمكن أن تصل سرعة الاستجابة إلى مستوى ns.