ประเภทโครงสร้างอุปกรณ์ตรวจจับแสง

ประเภทของอุปกรณ์ตรวจจับแสงโครงสร้าง
เครื่องตรวจจับภาพคืออุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ‌ โครงสร้างและความหลากหลายของมัน ‌ สามารถแบ่งหลักๆ ได้เป็นประเภทต่อไปนี้: ‌
(1) เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักเตอร์
เมื่ออุปกรณ์โฟโตคอนดักเตอร์ได้รับแสง ตัวพาที่สร้างแสงจะเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าและลดความต้านทาน ตัวพาที่ถูกกระตุ้นที่อุณหภูมิห้องจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า จึงก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า ภายใต้สภาวะแสง อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นและเกิดการเปลี่ยนสถานะ ในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปตามการกระทำของสนามไฟฟ้าจนเกิดเป็นโฟโตคอนดักเตอร์ ตัวพาที่สร้างแสงที่เกิดขึ้นจะเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์และลดความต้านทานลง โดยทั่วไปแล้วเครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักเตอร์จะมีค่าเกนสูงและตอบสนองได้ดีเยี่ยม แต่ไม่สามารถตอบสนองต่อสัญญาณแสงความถี่สูงได้ ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองจึงช้า ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการใช้งานอุปกรณ์โฟโตคอนดักเตอร์ในบางด้าน

(2)เครื่องตรวจจับภาพ PN
เครื่องตรวจจับแสงแบบ PN เกิดจากการสัมผัสกันระหว่างวัสดุสารกึ่งตัวนำชนิด P และวัสดุสารกึ่งตัวนำชนิด N ก่อนที่จะเกิดการสัมผัสกัน วัสดุทั้งสองจะอยู่ในสถานะแยกกัน ระดับเฟอร์มีในสารกึ่งตัวนำชนิด P จะอยู่ใกล้กับขอบของแถบวาเลนซ์ ในขณะที่ระดับเฟอร์มีในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะอยู่ใกล้กับขอบของแถบการนำ ในขณะเดียวกัน ระดับเฟอร์มีของวัสดุชนิด N ที่ขอบของแถบการนำจะเลื่อนลงอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งระดับเฟอร์มีของวัสดุทั้งสองอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของแถบการนำและแถบวาเลนซ์ยังมาพร้อมกับการโค้งงอของแถบด้วย รอยต่อ PN อยู่ในภาวะสมดุลและมีระดับเฟอร์มีสม่ำเสมอ จากการวิเคราะห์ตัวพาประจุ พบว่าตัวพาประจุส่วนใหญ่ในวัสดุชนิด P เป็นโฮล ในขณะที่ตัวพาประจุส่วนใหญ่ในวัสดุชนิด N เป็นอิเล็กตรอน เมื่อวัสดุทั้งสองสัมผัสกัน เนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้นของตัวพา อิเล็กตรอนในวัสดุชนิด N จะแพร่ไปยังวัสดุชนิด P ในขณะที่อิเล็กตรอนในวัสดุชนิด N จะแพร่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับโฮล พื้นที่ที่ไม่ได้รับการชดเชยจากการแพร่ของอิเล็กตรอนและโฮลจะก่อตัวเป็นสนามไฟฟ้าในตัว และสนามไฟฟ้าในตัวจะมีแนวโน้มการดริฟต์ของตัวพา และทิศทางการดริฟต์จะตรงข้ามกับทิศทางการแพร่ ซึ่งหมายความว่าการก่อตัวของสนามไฟฟ้าในตัวจะป้องกันการแพร่ของตัวพา และจะมีทั้งการแพร่และการดริฟต์อยู่ภายในรอยต่อ PN จนกระทั่งการเคลื่อนที่ทั้งสองแบบสมดุลกัน ทำให้การไหลของตัวพาสถิตเป็นศูนย์ สมดุลไดนามิกภายใน
เมื่อรอยต่อ PN ได้รับรังสีแสง พลังงานของโฟตอนจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวพา และตัวพาที่สร้างด้วยแสง ซึ่งก็คือคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่สร้างขึ้นด้วยแสง จะถูกสร้างขึ้น ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนและโฮลจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณ N และบริเวณ P ตามลำดับ และการเคลื่อนที่ตามทิศทางของตัวพาที่สร้างด้วยแสงจะก่อให้เกิดโฟโตเคอร์เรนต์ นี่คือหลักการพื้นฐานของเครื่องตรวจจับโฟโตรอยต่อ PN

(3)เครื่องตรวจจับภาพแบบ PIN
พินโฟโตไดโอดเป็นวัสดุชนิด P และชนิด N อยู่ระหว่างชั้น I โดยทั่วไปชั้น I ของวัสดุจะเป็นวัสดุภายในหรือวัสดุที่มีการเจือปนต่ำ กลไกการทำงานคล้ายกับรอยต่อ PN เมื่อรอยต่อ PIN สัมผัสกับรังสีแสง โฟตอนจะถ่ายโอนพลังงานไปยังอิเล็กตรอน ก่อให้เกิดพาหะประจุที่สร้างขึ้นด้วยแสง และสนามไฟฟ้าภายในหรือสนามไฟฟ้าภายนอกจะแยกคู่อิเล็กตรอนโฮลที่สร้างขึ้นด้วยแสงในชั้น depletion และพาหะประจุที่ถูกดริฟต์จะสร้างกระแสในวงจรภายนอก บทบาทของชั้น I คือการขยายความกว้างของชั้น depletion และชั้น I จะกลายเป็นชั้น depletion อย่างสมบูรณ์ภายใต้แรงดันไบอัสสูง และคู่อิเล็กตรอนโฮลที่สร้างขึ้นจะถูกแยกออกจากกันอย่างรวดเร็ว ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองของตัวตรวจจับโฟโตที่รอยต่อ PIN จึงโดยทั่วไปจะเร็วกว่าตัวตรวจจับที่รอยต่อ PN นอกจากนี้ พาหะที่อยู่นอกชั้น I จะถูกรวบรวมโดยชั้น depletion ผ่านการเคลื่อนที่แบบกระจาย ก่อให้เกิดกระแสกระจาย ความหนาของชั้น I โดยทั่วไปจะบางมาก และมีจุดประสงค์เพื่อปรับปรุงความเร็วในการตอบสนองของเครื่องตรวจจับ

(4)เครื่องตรวจจับภาพ APDโฟโตไดโอดหิมะถล่ม
กลไกของโฟโตไดโอดหิมะถล่มคล้ายกับรอยต่อ PN เครื่องตรวจจับแสง APD ใช้รอยต่อ PN ที่ถูกเจือปนอย่างหนัก แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานจากการตรวจจับ APD มีค่าสูง และเมื่อเพิ่มไบอัสย้อนกลับจำนวนมาก จะเกิดการชนกันของไอออนไนซ์และการเพิ่มจำนวนของหิมะถล่มภายใน APD และประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับจะเพิ่มขึ้น เมื่อ APD อยู่ในโหมดไบอัสย้อนกลับ สนามไฟฟ้าในชั้น depletion จะมีความเข้มมาก และพาหะที่เกิดจากแสงจะถูกแยกออกอย่างรวดเร็วและลอยตัวอย่างรวดเร็วภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า มีความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะชนเข้ากับแลตทิซในระหว่างกระบวนการนี้ ทำให้อิเล็กตรอนในแลตทิซแตกตัว กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำๆ และไอออนที่แตกตัวในแลตทิซก็จะชนกับแลตทิซเช่นกัน ทำให้จำนวนพาหะประจุใน APD เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ กลไกทางกายภาพเฉพาะภายใน APD นี้เองที่ทำให้เครื่องตรวจจับที่ใช้ APD โดยทั่วไปมีคุณสมบัติเด่นคือความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว ค่าเกนของกระแสไฟฟ้าสูง และความไวสูง เมื่อเปรียบเทียบกับรอยต่อ PN และรอยต่อ PIN แล้ว APD มีความเร็วในการตอบสนองที่เร็วกว่า ซึ่งถือเป็นความเร็วในการตอบสนองที่เร็วที่สุดในบรรดาหลอดไวแสงในปัจจุบัน

(5) เครื่องตรวจจับภาพรอยต่อชอตต์กี้
โครงสร้างพื้นฐานของโฟโตดีเทกเตอร์รอยต่อชอตต์กีคือไดโอดชอตต์กี ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าคล้ายกับรอยต่อ PN ที่อธิบายไว้ข้างต้น และมีค่าการนำไฟฟ้าทิศทางเดียว โดยมีการนำไฟฟ้าเป็นบวกและจุดตัดกลับ เมื่อโลหะที่มีฟังก์ชันงานสูงสัมผัสกับสารกึ่งตัวนำที่มีฟังก์ชันงานต่ำ จะเกิดกำแพงชอตต์กีขึ้น และรอยต่อที่เกิดขึ้นจะเป็นรอยต่อชอตต์กี กลไกหลักค่อนข้างคล้ายกับรอยต่อ PN ยกตัวอย่างเช่น สารกึ่งตัวนำชนิด N เมื่อวัสดุสองชนิดสัมผัสกัน เนื่องจากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันของวัสดุทั้งสอง อิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำจะแพร่ไปยังด้านโลหะ อิเล็กตรอนที่กระจายตัวจะสะสมอย่างต่อเนื่องที่ปลายด้านหนึ่งของโลหะ ทำลายความเป็นกลางทางไฟฟ้าดั้งเดิมของโลหะ ก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัวจากสารกึ่งตัวนำไปยังโลหะบนพื้นผิวสัมผัส และอิเล็กตรอนจะลอยตัวภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายใน การเคลื่อนที่แบบลอยตัวและการเคลื่อนที่แบบลอยตัวของพาหะจะเกิดขึ้นพร้อมกัน หลังจากผ่านไประยะหนึ่งจนกระทั่งถึงสมดุลไดนามิก และในที่สุดก็ก่อตัวเป็นรอยต่อชอตต์กี ภายใต้สภาวะแสง บริเวณกั้นจะดูดซับแสงโดยตรงและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล ในขณะที่พาหะที่เกิดจากแสงภายในรอยต่อ PN จะต้องผ่านบริเวณการแพร่ตัวเพื่อไปยังบริเวณรอยต่อ เมื่อเทียบกับรอยต่อ PN โฟโตดีเทกเตอร์ที่ใช้รอยต่อชอตต์กีมีความเร็วในการตอบสนองที่เร็วกว่า และความเร็วในการตอบสนองอาจสูงถึงระดับ ns ได้ด้วย