ประเภทโครงสร้างอุปกรณ์ตรวจจับแสง

ประเภทของอุปกรณ์ตรวจจับแสงโครงสร้าง
เครื่องตรวจจับภาพคืออุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า โครงสร้างและความหลากหลายสามารถแบ่งหลักๆ ได้ดังนี้
(1) เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักเตอร์
เมื่ออุปกรณ์โฟโตคอนดักเตอร์ได้รับแสง ตัวพาที่สร้างด้วยแสงจะเพิ่มสภาพการนำไฟฟ้าและลดความต้านทาน ตัวพาที่ถูกกระตุ้นที่อุณหภูมิห้องจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า จึงก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า ภายใต้สภาวะที่มีแสง อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นและเกิดการเปลี่ยนผ่าน ในเวลาเดียวกัน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าเพื่อสร้างโฟโตคอนดักเตอร์ ตัวพาที่สร้างด้วยแสงที่เกิดขึ้นจะเพิ่มสภาพการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์และส่งผลให้ความต้านทานลดลง เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักเตอร์โฟโตคอนดักเตอร์มักจะมีค่าเกนสูงและตอบสนองได้ดีเยี่ยม แต่ไม่สามารถตอบสนองต่อสัญญาณออปติกความถี่สูงได้ ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองจึงช้า ซึ่งจำกัดการใช้งานของอุปกรณ์โฟโตคอนดักเตอร์ในบางแง่มุม

(2)เครื่องตรวจจับภาพ PN
เครื่องตรวจจับแสง PN เกิดขึ้นจากการสัมผัสระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N ก่อนที่จะเกิดการสัมผัส วัสดุทั้งสองจะอยู่ในสถานะแยกจากกัน ระดับแฟร์มีในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P อยู่ใกล้กับขอบของแถบวาเลนซ์ ในขณะที่ระดับแฟร์มีในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N อยู่ใกล้กับขอบของแถบการนำไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน ระดับแฟร์มีของวัสดุชนิด N ที่ขอบของแถบการนำไฟฟ้าจะเลื่อนลงอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งระดับแฟร์มีของวัสดุทั้งสองจะอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงของตำแหน่งของแถบการนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์ยังมาพร้อมกับการโค้งงอของแถบอีกด้วย รอยต่อ PN อยู่ในภาวะสมดุลและมีระดับแฟร์มีที่สม่ำเสมอ จากมุมมองของการวิเคราะห์ตัวพาประจุ ตัวพาประจุส่วนใหญ่ในวัสดุชนิด P เป็นโฮล ในขณะที่ตัวพาประจุส่วนใหญ่ในวัสดุชนิด N เป็นอิเล็กตรอน เมื่อวัสดุทั้งสองสัมผัสกัน เนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้นของตัวพา อิเล็กตรอนในวัสดุประเภท N จะแพร่กระจายไปยังประเภท P ในขณะที่อิเล็กตรอนในวัสดุประเภท N จะแพร่กระจายไปในทิศทางตรงข้ามกับรู พื้นที่ที่ไม่ได้รับการชดเชยที่เหลือจากการแพร่ของอิเล็กตรอนและรูจะก่อตัวเป็นสนามไฟฟ้าในตัว และสนามไฟฟ้าในตัวจะมีแนวโน้มการดริฟต์ของตัวพา และทิศทางของการดริฟต์จะตรงข้ามกับทิศทางการแพร่ ซึ่งหมายความว่าการก่อตัวของสนามไฟฟ้าในตัวจะป้องกันการแพร่กระจายของตัวพา และมีทั้งการแพร่และการดริฟต์ภายในรอยต่อ PN จนกว่าการเคลื่อนที่ทั้งสองประเภทจะสมดุลกัน ดังนั้นการไหลของตัวพาแบบคงที่จึงเป็นศูนย์ สมดุลไดนามิกภายใน
เมื่อรอยต่อ PN ถูกฉายแสง พลังงานของโฟตอนจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวพา และตัวพาที่สร้างด้วยแสง ซึ่งก็คือคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่สร้างด้วยแสง จะถูกสร้างขึ้น ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนและโฮลจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณ N และบริเวณ P ตามลำดับ และการเคลื่อนตัวตามทิศทางของตัวพาที่สร้างด้วยแสงจะสร้างกระแสไฟฟ้าแบบโฟโตเคอร์เรนต์ นี่คือหลักการพื้นฐานของเครื่องตรวจจับโฟโตรอยต่อ PN

(3)เครื่องตรวจจับภาพแบบ PIN
โฟโตไดโอดพินเป็นวัสดุประเภท P และวัสดุประเภท N ระหว่างชั้น I โดยชั้น I ของวัสดุโดยทั่วไปเป็นวัสดุที่มีเนื้อแท้หรือมีการเจือปนต่ำ กลไกการทำงานคล้ายกับรอยต่อ PN เมื่อรอยต่อ PIN สัมผัสกับรังสีแสง โฟตอนจะถ่ายเทพลังงานไปยังอิเล็กตรอน สร้างพาหะประจุที่สร้างด้วยแสง และสนามไฟฟ้าภายในหรือสนามไฟฟ้าภายนอกจะแยกคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่สร้างด้วยแสงในชั้นการพร่อง และพาหะประจุที่ล่องลอยจะสร้างกระแสในวงจรภายนอก บทบาทของชั้น I คือการขยายความกว้างของชั้นการพร่อง และชั้น I จะกลายเป็นชั้นการพร่องอย่างสมบูรณ์ภายใต้แรงดันไฟฟ้าอคติขนาดใหญ่ และคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่สร้างขึ้นจะแยกออกจากกันอย่างรวดเร็ว ดังนั้นความเร็วการตอบสนองของโฟโตดีเทกเตอร์รอยต่อ PIN จึงมักจะเร็วกว่าของเครื่องตรวจจับรอยต่อ PN พาหะภายนอกชั้น I ยังถูกเก็บรวบรวมโดยชั้นการพร่องผ่านการเคลื่อนที่แบบกระจาย ทำให้เกิดกระแสกระจาย ความหนาของชั้น I โดยทั่วไปจะบางมาก และมีจุดประสงค์เพื่อปรับปรุงความเร็วในการตอบสนองของเครื่องตรวจจับ

(4)เครื่องตรวจจับภาพ APDโฟโตไดโอดถล่ม
กลไกการทำงานของโฟโตไดโอดถล่มคล้ายกับรอยต่อ PN เครื่องตรวจจับแสง APD ใช้รอยต่อ PN ที่ถูกเจือปนอย่างหนัก แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานโดยอิงจากการตรวจจับ APD นั้นมีขนาดใหญ่ และเมื่อเพิ่มไบอัสย้อนกลับขนาดใหญ่ การแตกตัวเป็นไอออนจากการชนและการเพิ่มจำนวนหิมะถล่มจะเกิดขึ้นภายใน APD และประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับจะเพิ่มขึ้นด้วยกระแสไฟฟ้า เมื่อ APD อยู่ในโหมดไบอัสย้อนกลับ สนามไฟฟ้าในชั้นการพร่องจะแข็งแกร่งมาก และตัวพาที่สร้างด้วยแสงซึ่งเกิดจากแสงจะแยกออกจากกันอย่างรวดเร็วและลอยไปมาอย่างรวดเร็วภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า มีความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะชนเข้ากับโครงตาข่ายในระหว่างกระบวนการนี้ ทำให้อิเล็กตรอนในโครงตาข่ายแตกตัวเป็นไอออน กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำ และไอออนที่แตกตัวเป็นไอออนในโครงตาข่ายก็จะชนกับโครงตาข่ายด้วย ทำให้จำนวนตัวพาประจุใน APD เพิ่มขึ้น ส่งผลให้มีกระแสไฟฟ้าจำนวนมาก กลไกทางกายภาพเฉพาะตัวภายใน APD นี้เองที่เครื่องตรวจจับที่ใช้ APD มักมีลักษณะเฉพาะคือความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว ค่ากระแสที่เพิ่มขึ้นสูง และความไวสูง เมื่อเปรียบเทียบกับรอยต่อ PN และรอยต่อ PIN แล้ว APD จะมีความเร็วในการตอบสนองที่เร็วกว่า ซึ่งถือว่าเป็นความเร็วในการตอบสนองที่เร็วที่สุดในบรรดาหลอดไวต่อแสงในปัจจุบัน

(5) เครื่องตรวจจับภาพแบบ Schottky Junction
โครงสร้างพื้นฐานของโฟโตดีเทกเตอร์รอยต่อชอตต์กี้คือไดโอดชอตต์กี้ซึ่งมีลักษณะทางไฟฟ้าคล้ายกับรอยต่อ PN ที่อธิบายไว้ข้างต้นและมีความนำไฟฟ้าทิศทางเดียวโดยมีการนำไฟฟ้าบวกและการตัดกลับ เมื่อโลหะที่มีฟังก์ชันการทำงานสูงและเซมิคอนดักเตอร์ที่มีฟังก์ชันการทำงานต่ำสร้างจุดสัมผัส จะเกิดกำแพงชอตต์กี้ขึ้นและรอยต่อที่เกิดขึ้นคือรอยต่อชอตต์กี้ กลไกหลักค่อนข้างคล้ายกับรอยต่อ PN โดยใช้เซมิคอนดักเตอร์ชนิด N เป็นตัวอย่าง เมื่อวัสดุสองชนิดสร้างจุดสัมผัส เนื่องจากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนของวัสดุทั้งสองชนิดต่างกัน อิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์จะแพร่กระจายไปทางด้านโลหะ อิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายจะสะสมอย่างต่อเนื่องที่ปลายด้านหนึ่งของโลหะ ทำให้เกิดการทำลายความเป็นกลางทางไฟฟ้าเดิมของโลหะ ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัวจากเซมิคอนดักเตอร์ไปยังโลหะบนพื้นผิวสัมผัส และอิเล็กตรอนจะลอยไปตามการกระทำของสนามไฟฟ้าภายใน และการเคลื่อนที่ของตัวพาและการเคลื่อนที่แบบลอยจะเกิดขึ้นพร้อมกัน หลังจากช่วงเวลาหนึ่ง จนกระทั่งถึงสมดุลแบบไดนามิก และในที่สุดก็เกิดรอยต่อช็อตต์กี้ ในสภาพแสง บริเวณกั้นจะดูดซับแสงโดยตรงและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล ในขณะที่ตัวพาที่สร้างด้วยแสงภายในรอยต่อ PN จะต้องผ่านบริเวณการแพร่เพื่อไปถึงบริเวณรอยต่อ เมื่อเปรียบเทียบกับรอยต่อ PN โฟโตดีเทกเตอร์ที่ใช้รอยต่อช็อตต์กี้มีความเร็วในการตอบสนองที่เร็วกว่า และความเร็วในการตอบสนองยังสามารถเข้าถึงระดับ ns ได้อีกด้วย