نوع بنية جهاز الكشف الضوئي

نوعجهاز كاشف ضوئيبناء
كاشف ضوئيهو جهاز يحول الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية، ويمكن تقسيم بنيته وأنواعه بشكل رئيسي إلى الفئات التالية:
(1) كاشف ضوئي موصل ضوئياً
عند تعريض الأجهزة الكهروضوئية للضوء، تزيد حاملات الشحنة الضوئية المتولدة من موصليتها وتقلل من مقاومتها. تتحرك حاملات الشحنة المثارة عند درجة حرارة الغرفة بشكل موجه تحت تأثير المجال الكهربائي، مما يُولد تيارًا كهربائيًا. في وجود الضوء، تُثار الإلكترونات ويحدث انتقالها. في الوقت نفسه، تنجرف هذه الإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي لتُشكل تيارًا ضوئيًا. تزيد حاملات الشحنة الضوئية المتولدة الناتجة من موصلية الجهاز، وبالتالي تقلل من مقاومته. عادةً ما تُظهر الكواشف الضوئية الكهروضوئية كسبًا عاليًا واستجابة فائقة، لكنها لا تستجيب للإشارات الضوئية عالية التردد، لذا فإن سرعة الاستجابة بطيئة، مما يحد من استخدام الأجهزة الكهروضوئية في بعض الجوانب.

(2)كاشف ضوئي PN
يتكون كاشف ضوئي من نوع PN من خلال التلامس بين مادة شبه موصلة من النوع P ومادة شبه موصلة من النوع N. قبل تكوين هذا التلامس، 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، ينزاح مستوى فيرمي للمادة من النوع N، الواقعة على حافة نطاق التوصيل، باستمرار نحو الأسفل حتى يتساوى مستوى فيرمي للمادتين. ويصاحب تغير موضع نطاقي التوصيل والتكافؤ انحناء في النطاق. يكون وصلة PN في حالة توازن، ولها مستوى فيرمي منتظم. 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 حاملات الشحنة، 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 المنطقة غير المُعاوضة الناتجة عن انتشار الإلكترونات والفجوات مجالًا كهربائيًا داخليًا، وهذا المجال يُوجّه انجراف حاملات الشحنة، ويكون اتجاه الانجراف معاكسًا تمامًا لاتجاه الانتشار. هذا يعني أن تشكّل المجال الكهربائي الداخلي يمنع انتشار حاملات الشحنة، ويحدث كل من الانتشار والانجراف داخل وصلة PN حتى يتوازن نوعا الحركة، بحيث يصبح تدفق حاملات الشحنة الساكنة صفرًا. توازن ديناميكي داخلي.
عند تعريض وصلة PN للإشعاع الضوئي، تنتقل طاقة الفوتون إلى حامل الشحنة، مما يؤدي إلى توليد زوج إلكترون-فجوة ضوئي. تحت تأثير المجال الكهربائي، ينجرف الإلكترون والفجوة إلى المنطقة N والمنطقة P على التوالي، ويولد هذا الانجراف تيارًا ضوئيًا. هذا هو المبدأ الأساسي لكاشف الضوء ذي وصلة PN.

(3)كاشف ضوئي PIN
يتكون الثنائي الضوئي PIN من مادة من النوع P ومادة من النوع N بين طبقة I، وتكون طبقة I عادةً مادة نقية أو منخفضة التشويب. آلية عمله مشابهة لوصلة PN، فعند تعرض وصلة PIN للإشعاع الضوئي، ينقل الفوتون الطاقة إلى الإلكترون، مُولِّدًا حاملات شحنة ضوئية. يعمل المجال الكهربائي الداخلي أو الخارجي على فصل أزواج الإلكترون-فجوة الضوئية في طبقة الاستنزاف، وتُشكِّل حاملات الشحنة المنجرفة تيارًا في الدائرة الخارجية. يتمثل دور طبقة I في توسيع عرض طبقة الاستنزاف، وتصبح طبقة I بالكامل طبقة استنزاف تحت جهد انحياز كبير، مما يؤدي إلى فصل أزواج الإلكترون-فجوة المتولدة بسرعة، وبالتالي تكون سرعة استجابة كاشف الضوء ذي وصلة PIN أسرع عمومًا من كاشف الضوء ذي وصلة PN. كما يتم تجميع حاملات الشحنة خارج طبقة I بواسطة طبقة الاستنزاف من خلال حركة الانتشار، مُشكِّلةً تيار انتشار. سمك الطبقة I رقيق للغاية بشكل عام، والغرض منها هو تحسين سرعة استجابة الكاشف.

(4)كاشف ضوئي APDثنائي ضوئي انهياري
آليةثنائي ضوئي انهيارييشبه هذا آلية عمل وصلة PN. يستخدم كاشف APD الضوئي وصلة PN عالية التشويب، ويتميز بجهد تشغيل عالٍ. عند تطبيق انحياز عكسي كبير، يحدث تأين تصادمي وتضاعف انهياري داخل الكاشف، مما يزيد من كفاءة التيار الضوئي. في وضع الانحياز العكسي، يكون المجال الكهربائي في طبقة الاستنزاف قويًا جدًا، مما يؤدي إلى فصل حاملات الشحنة الضوئية المتولدة بسرعة وانجرافها تحت تأثير المجال الكهربائي. خلال هذه العملية، قد تصطدم الإلكترونات بالشبكة البلورية، مما يؤدي إلى تأينها. تتكرر هذه العملية، وتصطدم الأيونات المتأينة بالشبكة البلورية، مما يزيد من عدد حاملات الشحنة في الكاشف، وبالتالي ينتج عنه تيار عالٍ. هذه الآلية الفيزيائية الفريدة داخل الكاشف هي ما يمنحه سرعة استجابة عالية، وكسبًا كبيرًا في قيمة التيار، وحساسية فائقة. بالمقارنة مع وصلة PN ووصلة PIN، فإن APD يتمتع بسرعة استجابة أسرع، وهي أسرع سرعة استجابة بين الأنابيب الحساسة للضوء الحالية.

(5) كاشف ضوئي بوصلة شوتكي
يتكون الكاشف الضوئي ذو وصلة شوتكي أساسًا من ثنائي شوتكي، الذي تتشابه خصائصه الكهربائية مع خصائص وصلة PN المذكورة سابقًا، ويتميز بموصلية أحادية الاتجاه مع توصيل موجب وقطع عكسي. عند تلامس معدن ذي دالة شغل عالية مع شبه موصل ذي دالة شغل منخفضة، يتشكل حاجز شوتكي، وتكون الوصلة الناتجة هي وصلة شوتكي. وتتشابه الآلية الرئيسية إلى حد ما مع آلية وصلة PN، فمثلاً، عند تلامس مادتين، وبسبب اختلاف تركيز الإلكترونات فيهما، تنتشر الإلكترونات من شبه الموصل إلى جانب المعدن. تتراكم الإلكترونات المنتشرة باستمرار عند أحد طرفي المعدن، مما يُخلّ بالحياد الكهربائي الأصلي للمعدن، مُشكّلةً مجالًا كهربائيًا داخليًا من شبه الموصل إلى المعدن على سطح التلامس. وتنجرف الإلكترونات تحت تأثير هذا المجال الكهربائي الداخلي، وتتم حركتا انتشار وانجراف حاملات الشحنة في آنٍ واحد، حتى تصل إلى حالة توازن ديناميكي بعد فترة زمنية، لتُشكّل في النهاية وصلة شوتكي. في ظروف الإضاءة، تمتص منطقة الحاجز الضوء مباشرةً وتُولّد أزواجًا من الإلكترونات والفجوات، بينما تحتاج حاملات الشحنة الضوئية المُولّدة داخل وصلة PN إلى المرور عبر منطقة الانتشار للوصول إلى منطقة الوصلة. وبالمقارنة مع وصلة PN، يتميز الكاشف الضوئي القائم على وصلة شوتكي بسرعة استجابة أعلى، قد تصل إلى مستوى النانوثانية.