نوع هيكل جهاز الكاشف الضوئي

نوعجهاز كاشف ضوئيبناء
كاشف ضوئيهو جهاز يحول الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية، ويمكن تقسيم هيكلها وتنوعها بشكل أساسي إلى الفئات التالية: ‌
(1) كاشف ضوئي موصل للضوء
عندما تتعرض الأجهزة الموصلة للضوء للضوء، فإن الناقل المولد ضوئيًا يزيد من موصليتها ويقلل من مقاومتها. تتحرك الموجات الحاملة المثارة عند درجة حرارة الغرفة بطريقة اتجاهية تحت تأثير المجال الكهربائي، وبالتالي تولد تيارًا. في حالة الضوء، يتم إثارة الإلكترونات ويحدث التحول. وفي الوقت نفسه، تنجرف تحت تأثير المجال الكهربائي لتشكل تيارًا ضوئيًا. تعمل الموجات الحاملة المولدة ضوئيًا على زيادة موصلية الجهاز وبالتالي تقليل المقاومة. تُظهر أجهزة الكشف الضوئية الموصلة ضوئيًا عادةً مكاسب عالية واستجابة كبيرة في الأداء، لكنها لا تستطيع الاستجابة للإشارات الضوئية عالية التردد، لذا تكون سرعة الاستجابة بطيئة، مما يحد من تطبيق الأجهزة الموصلة ضوئيًا في بعض الجوانب.

(2)كاشف ضوئي PN
يتم تشكيل كاشف ضوئي PN عن طريق الاتصال بين مادة أشباه الموصلات من النوع P ومواد أشباه الموصلات من النوع N. قبل أن يتم تشكيل الاتصال، تكون المادتان في حالة منفصلة. يكون مستوى فيرمي في أشباه الموصلات من النوع P قريبًا من حافة نطاق التكافؤ، بينما يكون مستوى فيرمي في أشباه الموصلات من النوع N قريبًا من حافة نطاق التوصيل. في الوقت نفسه، يتم إزاحة مستوى فيرمي للمادة من النوع N عند حافة نطاق التوصيل بشكل مستمر إلى الأسفل حتى يصبح مستوى فيرمي للمادتين في نفس الموضع. ويصاحب تغيير موضع نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ أيضًا انحناء النطاق. تقاطع PN في حالة توازن وله مستوى فيرمي موحد. من ناحية تحليل حاملات الشحنة، فإن معظم حاملات الشحنة في المواد من النوع P عبارة عن ثقوب، في حين أن معظم حاملات الشحنة في المواد من النوع N عبارة عن إلكترونات. عندما تكون المادتان على اتصال، بسبب الاختلاف في تركيز الناقل، فإن الإلكترونات الموجودة في المواد من النوع N سوف تنتشر إلى النوع P، بينما الإلكترونات الموجودة في المواد من النوع N سوف تنتشر في الاتجاه المعاكس للثقوب. ستشكل المساحة غير المعوضة التي يتركها انتشار الإلكترونات والثقوب مجالًا كهربائيًا مدمجًا، وسيعمل المجال الكهربائي المدمج على اتجاه انحراف الموجة الحاملة، ويكون اتجاه الانجراف معاكسًا تمامًا لاتجاه الانتشار، مما يعني أن يمنع تكوين المجال الكهربائي المدمج انتشار الموجات الحاملة، ويحدث كل من الانتشار والانجراف داخل تقاطع PN حتى يتم توازن نوعي الحركة، بحيث يكون تدفق الحامل الثابت صفرًا. التوازن الديناميكي الداخلي.
عندما يتعرض تقاطع PN للإشعاع الضوئي، يتم نقل طاقة الفوتون إلى الناقل، ويتم إنشاء الناقل المولد ضوئيًا، أي زوج ثقب الإلكترون المولد ضوئيًا. تحت تأثير المجال الكهربائي، ينجرف الإلكترون والثقب إلى المنطقة N والمنطقة P على التوالي، ويولد الانجراف الاتجاهي للحامل المولد ضوئيًا تيارًا ضوئيًا. هذا هو المبدأ الأساسي للكاشف الضوئي PN.

(3)كاشف ضوئي PIN
الصمام الثنائي الضوئي عبارة عن مادة من النوع P ومادة من النوع N بين الطبقة I، وتكون الطبقة I من المادة بشكل عام مادة جوهرية أو منخفضة المنشطات. تشبه آلية عملها وصلة PN، عندما تتعرض وصلة PIN للإشعاع الضوئي، ينقل الفوتون الطاقة إلى الإلكترون، مما يولد حاملات شحنة مولدة ضوئيًا، وسيفصل المجال الكهربائي الداخلي أو المجال الكهربائي الخارجي ثقب الإلكترون المولد ضوئيًا أزواج في طبقة النضوب، وسوف تشكل ناقلات الشحنة المنجرفة تيارًا في الدائرة الخارجية. الدور الذي تلعبه الطبقة الأولى هو توسيع عرض الطبقة المستنفدة، وسوف تصبح الطبقة الأولى تمامًا طبقة الاستنفاد تحت جهد متحيز كبير، وسيتم فصل أزواج ثقب الإلكترون المتولدة بسرعة، وبالتالي فإن سرعة استجابة الطبقة يكون كاشف الوصلات الضوئية PIN أسرع بشكل عام من كاشف الوصلات PN. يتم أيضًا تجميع الموجات الحاملة خارج الطبقة I أيضًا بواسطة طبقة الاستنفاد من خلال حركة الانتشار، مما يشكل تيار انتشار. سمك الطبقة I بشكل عام رقيق جدًا، والغرض منه هو تحسين سرعة استجابة الكاشف.

(4)كاشف ضوئي APDالانهيار الضوئي الثنائي
آليةالانهيار الضوئي الثنائييشبه ذلك الموجود في تقاطع PN. يستخدم كاشف ضوئي APD وصلة PN مخدرة بشكل كبير، ويكون جهد التشغيل بناءً على اكتشاف APD كبيرًا، وعندما تتم إضافة انحياز عكسي كبير، سيحدث تأين تصادم وتضاعف الانهيار الجليدي داخل APD، ويزداد أداء الكاشف كهروضوئي. عندما يكون APD في وضع التحيز العكسي، سيكون المجال الكهربائي في طبقة الاستنفاد قويًا جدًا، وسيتم فصل الموجات الحاملة المولدة ضوئيًا الناتجة عن الضوء بسرعة وتنجرف بسرعة تحت تأثير المجال الكهربائي. هناك احتمال أن تصطدم الإلكترونات بالشبكة أثناء هذه العملية، مما يؤدي إلى تأين الإلكترونات الموجودة في الشبكة. تتكرر هذه العملية، وتتصادم الأيونات المتأينة الموجودة في الشبكة أيضًا مع الشبكة، مما يتسبب في زيادة عدد حاملات الشحنة في APD، مما يؤدي إلى حدوث تيار كبير. إن هذه الآلية الفيزيائية الفريدة داخل APD هي أن الكاشفات المستندة إلى APD تتميز عمومًا بخصائص سرعة الاستجابة السريعة واكتساب القيمة الحالية الكبيرة والحساسية العالية. بالمقارنة مع وصلة PN ووصلة PIN، فإن APD لديه سرعة استجابة أسرع، وهي أسرع سرعة استجابة بين الأنابيب الحساسة للضوء الحالية.

(5) كاشف ضوئي تقاطع شوتكي
الهيكل الأساسي لكاشف شوتكي الضوئي هو صمام ثنائي شوتكي، الذي تشبه خصائصه الكهربائية تلك الخاصة بوصلة PN الموصوفة أعلاه، وله موصلية أحادية الاتجاه مع توصيل إيجابي وقطع عكسي. عندما يشكل معدن ذو وظيفة عمل عالية وأشباه موصلات ذات وظيفة عمل منخفضة اتصالاً، يتم تشكيل حاجز شوتكي، وتكون الوصلة الناتجة هي تقاطع شوتكي. الآلية الرئيسية تشبه إلى حد ما تقاطع PN، مع أخذ أشباه الموصلات من النوع N كمثال، عندما تتلامس مادتان، بسبب اختلاف تركيزات الإلكترون في المادتين، فإن الإلكترونات الموجودة في أشباه الموصلات سوف تنتشر إلى الجانب المعدني. تتراكم الإلكترونات المنتشرة بشكل مستمر عند أحد طرفي المعدن، مما يؤدي إلى تدمير الحياد الكهربائي الأصلي للمعدن، وتشكيل مجال كهربائي مدمج من شبه الموصل إلى المعدن على سطح التلامس، وسوف تنجرف الإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي الداخلي، وسيتم تنفيذ حركة الانتشار والانجراف للحامل في وقت واحد، بعد فترة من الزمن للوصول إلى التوازن الديناميكي، وأخيراً تشكيل تقاطع شوتكي. في ظل ظروف الإضاءة، تمتص منطقة الحاجز الضوء مباشرة وتولد أزواج ثقب الإلكترون، في حين تحتاج الناقلات المولدة ضوئيًا داخل تقاطع PN إلى المرور عبر منطقة الانتشار للوصول إلى منطقة الوصل. بالمقارنة مع وصلة PN، فإن الكاشف الضوئي المعتمد على وصلة Schottky لديه سرعة استجابة أسرع، ويمكن أن تصل سرعة الاستجابة إلى مستوى ns.