ประเภทของโครงสร้างอุปกรณ์ตรวจจับแสง

ประเภทของอุปกรณ์ตรวจจับแสงโครงสร้าง
เครื่องตรวจจับแสงเป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ‌ โครงสร้างและความหลากหลายของมัน ‌ สามารถแบ่งออกได้เป็นประเภทหลักๆ ดังนี้ ‌
(1) เครื่องตรวจจับแสงแบบโฟโตคอนดักทีฟ
เมื่ออุปกรณ์นำแสงสัมผัสกับแสง ตัวพาที่สร้างด้วยแสงจะเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าและลดความต้านทาน ตัวพาที่ตื่นเต้นที่อุณหภูมิห้องจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่กำหนดภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ภายใต้สภาวะของแสง อิเล็กตรอนจะตื่นเต้นและมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น ในเวลาเดียวกัน พวกมันลอยไปภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าเพื่อสร้างกระแสโฟโตปัจจุบัน สารพาหะที่สร้างด้วยแสงที่เกิดขึ้นจะเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์และลดความต้านทานลง เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักทีฟมักจะแสดงอัตราขยายสูงและการตอบสนองที่ยอดเยี่ยมในประสิทธิภาพ แต่ไม่สามารถตอบสนองต่อสัญญาณแสงความถี่สูงได้ ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองจึงช้า ซึ่งจำกัดการใช้งานอุปกรณ์โฟโตคอนดักทีฟในบางลักษณะ

(2)เครื่องตรวจจับแสง PN
เครื่องตรวจจับแสง PN เกิดจากการสัมผัสกันระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N ก่อนที่จะเกิดการสัมผัส วัสดุทั้งสองจะอยู่ในสถานะที่แยกจากกัน ระดับเฟอร์มีในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P อยู่ใกล้กับขอบของแถบวาเลนซ์ ในขณะที่ระดับเฟอร์มีในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N อยู่ใกล้กับขอบของแถบการนำ ในเวลาเดียวกัน ระดับ Fermi ของวัสดุประเภท N ที่ขอบของแถบการนำไฟฟ้าจะเลื่อนลงอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งระดับ Fermi ของวัสดุทั้งสองอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน การเปลี่ยนตำแหน่งของแถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์จะมาพร้อมกับการโค้งงอของแถบด้วย จุดเชื่อมต่อ PN อยู่ในสภาวะสมดุลและมีระดับแฟร์มีสม่ำเสมอ จากแง่มุมของการวิเคราะห์ตัวพาประจุ ตัวพาประจุส่วนใหญ่ในวัสดุประเภท P จะเป็นรู ในขณะที่ตัวพาประจุส่วนใหญ่ในวัสดุประเภท N นั้นเป็นอิเล็กตรอน เมื่อวัสดุทั้งสองสัมผัสกัน เนื่องจากความเข้มข้นของพาหะต่างกัน อิเล็กตรอนในวัสดุประเภท N จะกระจายไปเป็นประเภท P ในขณะที่อิเล็กตรอนในวัสดุประเภท N จะกระจายไปในทิศทางตรงกันข้ามกับรู พื้นที่ที่ไม่มีการชดเชยที่เหลือจากการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนและรูจะก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัว และสนามไฟฟ้าในตัวจะมีแนวโน้มการเคลื่อนตัวของพาหะ และทิศทางของการเคลื่อนตัวจะตรงข้ามกับทิศทางการแพร่กระจาย ซึ่งหมายความว่า การก่อตัวของสนามไฟฟ้าในตัวช่วยป้องกันการแพร่กระจายของพาหะ และมีทั้งการแพร่กระจายและการดริฟท์ภายในจุดเชื่อมต่อ PN จนกว่าการเคลื่อนที่ทั้งสองชนิดจะสมดุลกัน เพื่อให้กระแสพาหะคงที่เป็นศูนย์ ความสมดุลแบบไดนามิกภายใน
เมื่อรอยต่อ PN สัมผัสกับรังสีแสง พลังงานของโฟตอนจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวพา และตัวพาที่สร้างด้วยแสง ซึ่งก็คือ คู่อิเล็กตรอน-รูที่ถูกสร้างขึ้นด้วยแสงจะถูกสร้างขึ้น ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนและโฮลเคลื่อนไปยังบริเวณ N และบริเวณ P ตามลำดับ และการเคลื่อนตัวของทิศทางของพาหะที่สร้างด้วยแสงจะทำให้เกิดกระแสโฟโตปัจจุบัน นี่คือหลักการพื้นฐานของเครื่องตรวจจับแสง PN Junction

(3)เครื่องตรวจจับภาพ PIN
โฟโตไดโอดของพินเป็นวัสดุชนิด P และวัสดุชนิด N ระหว่างชั้น I โดยทั่วไปชั้น I ของวัสดุจะเป็นวัสดุภายในหรือวัสดุที่มีสารโด๊ปต่ำ กลไกการทำงานของมันคล้ายกับจุดเชื่อมต่อ PN เมื่อจุดเชื่อมต่อ PIN สัมผัสกับรังสีแสง โฟตอนจะถ่ายเทพลังงานไปยังอิเล็กตรอน ทำให้เกิดพาหะประจุที่สร้างด้วยแสง และสนามไฟฟ้าภายในหรือสนามไฟฟ้าภายนอกจะแยกหลุมอิเล็กตรอนที่สร้างด้วยแสงออกจากกัน คู่ในชั้นพร่อง และตัวพาประจุที่ลอยไปจะก่อให้เกิดกระแสในวงจรภายนอก บทบาทของเลเยอร์ I คือการขยายความกว้างของชั้นพร่อง และชั้น I จะกลายเป็นชั้นพร่องอย่างสมบูรณ์ภายใต้แรงดันไบอัสขนาดใหญ่ และคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่สร้างขึ้นจะถูกแยกออกจากกันอย่างรวดเร็ว ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองของ โดยทั่วไปแล้ว เครื่องตรวจจับแสงทางแยก PIN จะเร็วกว่าเครื่องตรวจจับทางแยก PN ตัวพาที่อยู่นอกชั้น I จะถูกรวบรวมโดยชั้นพร่องผ่านการเคลื่อนที่แบบแพร่กระจาย ทำให้เกิดกระแสการแพร่กระจาย โดยทั่วไปความหนาของชั้น I จะบางมาก และมีวัตถุประสงค์เพื่อปรับปรุงความเร็วการตอบสนองของเครื่องตรวจจับ

(4)เครื่องตรวจจับแสง APDโฟโตไดโอดถล่ม
กลไกของโฟโตไดโอดถล่มคล้ายกับทางแยก PN เครื่องตรวจจับภาพ APD ใช้จุดเชื่อมต่อ PN ที่เจือปนอย่างหนัก แรงดันไฟฟ้าในการทำงานตามการตรวจจับ APD นั้นมีสูง และเมื่อมีการเพิ่มไบแอสย้อนกลับขนาดใหญ่ การแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันและการเพิ่มจำนวนหิมะถล่มจะเกิดขึ้นภายใน APD และประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับจะเพิ่มขึ้น กระแสโฟโตปัจจุบัน เมื่อ APD อยู่ในโหมดรีเวอร์สไบอัส สนามไฟฟ้าในชั้นพร่องจะมีความเข้มสูงมาก และพาหะที่สร้างแสงจากแสงจะถูกแยกออกจากกันอย่างรวดเร็วและลอยไปอย่างรวดเร็วภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า มีความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะชนเข้ากับโครงตาข่ายในระหว่างกระบวนการนี้ ส่งผลให้อิเล็กตรอนในโครงตาข่ายแตกตัวเป็นไอออน กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำ และไอออนไนซ์ในโครงตาข่ายก็ชนกับโครงตาข่ายด้วย ทำให้จำนวนพาหะประจุใน APD เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ กลไกทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ภายใน APD นี้เองที่เครื่องตรวจจับที่ใช้ APD โดยทั่วไปมีคุณลักษณะของความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว ค่ากระแสที่เพิ่มขึ้นสูง และความไวสูง เมื่อเปรียบเทียบกับหัวต่อ PN และหัวต่อ PIN แล้ว APD มีความเร็วการตอบสนองที่เร็วกว่า ซึ่งเป็นความเร็วการตอบสนองที่เร็วที่สุดในบรรดาหลอดไวแสงในปัจจุบัน

(5) เครื่องตรวจจับแสงทางแยกชอตกี
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องตรวจจับแสงที่จุดเชื่อมต่อ Schottky คือไดโอด Schottky ซึ่งมีลักษณะทางไฟฟ้าคล้ายกับคุณสมบัติของจุดเชื่อมต่อ PN ที่อธิบายไว้ข้างต้น และมีค่าการนำไฟฟ้าทิศทางเดียวพร้อมการนำไฟฟ้าเชิงบวกและการตัดกลับแบบย้อนกลับ เมื่อโลหะที่มีฟังก์ชันการทำงานสูงและเซมิคอนดักเตอร์ที่มีฟังก์ชันการทำงานต่ำเกิดการสัมผัสกัน จะเกิดสิ่งกีดขวาง Schottky และจุดเชื่อมต่อที่เกิดขึ้นคือจุดเชื่อมต่อ Schottky กลไกหลักค่อนข้างคล้ายกับจุดเชื่อมต่อ PN โดยยกตัวอย่างเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N เมื่อวัสดุสองชนิดสัมผัสกัน เนื่องจากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันของวัสดุทั้งสอง อิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์จะกระจายไปทางด้านโลหะ อิเล็กตรอนแบบกระจายจะสะสมอย่างต่อเนื่องที่ปลายด้านหนึ่งของโลหะ ซึ่งทำลายความเป็นกลางทางไฟฟ้าดั้งเดิมของโลหะ ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัวจากเซมิคอนดักเตอร์ไปยังโลหะบนพื้นผิวสัมผัส และอิเล็กตรอนจะลอยไปภายใต้การกระทำของ สนามไฟฟ้าภายใน และการแพร่กระจายและการเคลื่อนตัวของตัวพาจะดำเนินการพร้อมกัน หลังจากผ่านช่วงระยะเวลาหนึ่งจนไปถึงสมดุลไดนามิก และสุดท้ายก็ก่อตัวเป็นรอยต่อชอตกี ภายใต้สภาพแสง พื้นที่กั้นจะดูดซับแสงโดยตรงและสร้างคู่อิเล็กตรอนของรู ในขณะที่พาหะที่สร้างแสงภายในจุดเชื่อมต่อ PN จำเป็นต้องผ่านบริเวณการแพร่กระจายเพื่อไปถึงบริเวณจุดเชื่อมต่อ เมื่อเปรียบเทียบกับหัวต่อ PN เครื่องตรวจจับแสงที่ใช้หัวต่อ Schottky มีความเร็วการตอบสนองที่เร็วกว่า และความเร็วการตอบสนองยังสูงถึงระดับ ns อีกด้วย