ประเภทของโครงสร้างอุปกรณ์ตรวจจับแสง

ประเภทของอุปกรณ์ตรวจจับแสงโครงสร้าง
โฟโตดีเทคเตอร์อุปกรณ์นี้ทำหน้าที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า โครงสร้างและประเภทของมัน สามารถแบ่งออกเป็นประเภทหลักๆ ดังต่อไปนี้:
(1) โฟโตดีเทคเตอร์แบบนำไฟฟ้า
เมื่ออุปกรณ์นำไฟฟ้าด้วยแสงได้รับแสง ตัวนำไฟฟ้าที่เกิดจากแสงจะเพิ่มการนำไฟฟ้าและลดความต้านทาน ตัวนำไฟฟ้าที่ถูกกระตุ้นที่อุณหภูมิห้องจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่กำหนดภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ภายใต้สภาวะที่มีแสง อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นและเกิดการเปลี่ยนสถานะ ในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าจากแสง ตัวนำไฟฟ้าที่เกิดจากแสงเหล่านี้จะเพิ่มการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์และลดความต้านทานลง อุปกรณ์ตรวจจับแสงแบบนำไฟฟ้าด้วยแสงมักแสดงอัตราขยายสูงและการตอบสนองที่ดีเยี่ยม แต่ไม่สามารถตอบสนองต่อสัญญาณแสงความถี่สูงได้ ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองจึงช้า ซึ่งจำกัดการใช้งานของอุปกรณ์นำไฟฟ้าด้วยแสงในบางด้าน

(2)โฟโตดีเทคเตอร์ PN
โฟโตดีเทคเตอร์แบบ PN เกิดจากการสัมผัสระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N ก่อนการสัมผัส วัสดุทั้งสองอยู่ในสถานะแยกจากกัน ระดับเฟอร์มิในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P อยู่ใกล้ขอบของแถบวาเลนซ์ ในขณะที่ระดับเฟอร์มิในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N อยู่ใกล้ขอบของแถบนำไฟฟ้า ในขณะเดียวกัน ระดับเฟอร์มิของวัสดุชนิด N ที่ขอบของแถบนำไฟฟ้าจะเลื่อนลงอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งระดับเฟอร์มิของวัสดุทั้งสองอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์ยังมาพร้อมกับการโค้งงอของแถบด้วย รอยต่อ PN อยู่ในสภาวะสมดุลและมีระดับเฟอร์มิที่สม่ำเสมอ จากมุมมองของการวิเคราะห์ตัวนำประจุ ตัวนำประจุส่วนใหญ่ในวัสดุชนิด P คือโฮล ในขณะที่ตัวนำประจุส่วนใหญ่ในวัสดุชนิด N คืออิเล็กตรอน เมื่อวัสดุทั้งสองสัมผัสกัน เนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้นของตัวนำ อิเล็กตรอนในวัสดุชนิด N จะแพร่ไปยังวัสดุชนิด P ในขณะที่อิเล็กตรอนในวัสดุชนิด N จะแพร่ไปในทิศทางตรงกันข้ามไปยังโฮล พื้นที่ที่ไม่สมดุลที่เกิดจากการแพร่ของอิเล็กตรอนและโฮลจะก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าภายใน และสนามไฟฟ้าภายในนี้จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของตัวนำ โดยทิศทางการเคลื่อนที่นั้นจะตรงกันข้ามกับทิศทางการแพร่ ซึ่งหมายความว่าการก่อตัวของสนามไฟฟ้าภายในจะป้องกันการแพร่ของตัวนำ และจะมีทั้งการแพร่และการเคลื่อนที่ภายในรอยต่อ PN จนกว่าการเคลื่อนที่ทั้งสองชนิดจะสมดุลกัน ทำให้การไหลของตัวนำสถิตเป็นศูนย์ เกิดความสมดุลภายในแบบไดนามิก
เมื่อรอยต่อ PN ได้รับแสง พลังงานของโฟตอนจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวนำ และตัวนำที่เกิดจากแสง ซึ่งก็คือคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดจากแสง จะถูกสร้างขึ้น ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนและโฮลจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณ N และบริเวณ P ตามลำดับ และการเคลื่อนที่ในทิศทางของตัวนำที่เกิดจากแสงจะสร้างกระแสไฟฟ้า นี่คือหลักการพื้นฐานของโฟโตดีเทคเตอร์รอยต่อ PN

(3)โฟโตดีเทคเตอร์ PIN
โฟโตไดโอดแบบ PIN ประกอบด้วยวัสดุชนิด P และวัสดุชนิด N คั่นอยู่ระหว่างชั้น I โดยชั้น I มักเป็นวัสดุบริสุทธิ์หรือวัสดุที่มีการเจือจางต่ำ กลไกการทำงานคล้ายกับรอยต่อ PN เมื่อรอยต่อ PIN ได้รับแสง โฟตอนจะถ่ายโอนพลังงานไปยังอิเล็กตรอน ทำให้เกิดตัวนำประจุที่เกิดจากแสง และสนามไฟฟ้าภายในหรือสนามไฟฟ้าภายนอกจะแยกคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดขึ้นในชั้นพร่อง และตัวนำประจุที่เคลื่อนที่จะก่อให้เกิดกระแสในวงจรภายนอก บทบาทของชั้น I คือการขยายความกว้างของชั้นพร่อง และชั้น I จะกลายเป็นชั้นพร่องอย่างสมบูรณ์ภายใต้แรงดันไบแอสสูง และคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดขึ้นจะถูกแยกออกจากกันอย่างรวดเร็ว ดังนั้นความเร็วในการตอบสนองของโฟโตดีเทคเตอร์แบบรอยต่อ PIN จึงโดยทั่วไปเร็วกว่าโฟโตดีเทคเตอร์แบบรอยต่อ PN ตัวนำที่อยู่นอกชั้น I จะถูกรวบรวมโดยชั้นพร่องผ่านการเคลื่อนที่แบบแพร่กระจาย ทำให้เกิดกระแสแพร่กระจาย โดยทั่วไปแล้วชั้น I มีความหนาบางมาก และจุดประสงค์คือเพื่อเพิ่มความเร็วในการตอบสนองของตัวตรวจจับ

(4)โฟโตดีเทคเตอร์ APDโฟโตไดโอดแบบถล่ม
กลไกของโฟโตไดโอดแบบถล่มมีลักษณะคล้ายกับรอยต่อ PN โฟโตดีเทคเตอร์ APD ใช้รอยต่อ PN ที่มีการเจือสารอย่างหนาแน่น แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของ APD มีค่าสูง และเมื่อมีการเพิ่มไบแอสย้อนกลับขนาดใหญ่ การแตกตัวเป็นไอออนจากการชนและการคูณแบบลูกโซ่จะเกิดขึ้นภายใน APD ทำให้ประสิทธิภาพของดีเทคเตอร์เพิ่มขึ้นด้วยกระแสไฟฟ้า เมื่อ APD อยู่ในโหมดไบแอสย้อนกลับ สนามไฟฟ้าในชั้นพร่องจะมีความแรงมาก และตัวพาประจุที่เกิดจากแสงจะแยกตัวและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า มีความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะชนกับโครงสร้างผลึกในระหว่างกระบวนการนี้ ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนในโครงสร้างผลึก กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำๆ และไอออนที่แตกตัวเป็นไอออนในโครงสร้างผลึกก็จะชนกับโครงสร้างผลึก ทำให้จำนวนตัวพาประจุใน APD เพิ่มขึ้น ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าสูงขึ้น กลไกทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ภายใน APD นี้เองที่ทำให้ดีเทคเตอร์ที่ใช้ APD โดยทั่วไปมีคุณลักษณะของความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว ค่ากระแสไฟฟ้าสูง และความไวสูง เมื่อเปรียบเทียบกับ PN junction และ PIN junction แล้ว APD มีความเร็วในการตอบสนองที่เร็วกว่า ซึ่งเป็นความเร็วในการตอบสนองที่เร็วที่สุดในบรรดาหลอดรับแสงในปัจจุบัน

(5) โฟโตดีเทคเตอร์ Schottky junction
โครงสร้างพื้นฐานของโฟโตดีเทคเตอร์แบบรอยต่อชอตต์กีคือไดโอดชอตต์กี ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าคล้ายกับรอยต่อ PN ที่กล่าวถึงข้างต้น และมีการนำไฟฟ้าแบบทิศทางเดียวโดยมีการนำไฟฟ้าเป็นบวกและการตัดการนำไฟฟ้าเป็นลบ เมื่อโลหะที่มีฟังก์ชันงานสูงและสารกึ่งตัวนำที่มีฟังก์ชันงานต่ำสัมผัสกัน จะเกิดกำแพงชอตต์กีขึ้น และรอยต่อที่เกิดขึ้นจะเป็นรอยต่อชอตต์กี กลไกหลักค่อนข้างคล้ายกับรอยต่อ PN โดยยกตัวอย่างสารกึ่งตัวนำชนิด N เมื่อวัสดุสองชนิดสัมผัสกัน เนื่องจากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันของวัสดุทั้งสอง อิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำจะแพร่ไปยังด้านโลหะ อิเล็กตรอนที่แพร่กระจายจะสะสมอย่างต่อเนื่องที่ปลายด้านหนึ่งของโลหะ ทำให้ความเป็นกลางทางไฟฟ้าดั้งเดิมของโลหะถูกทำลาย เกิดเป็นสนามไฟฟ้าภายในจากสารกึ่งตัวนำไปยังโลหะบนพื้นผิวสัมผัส และอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายใน การแพร่กระจายและการเคลื่อนที่ของตัวนำจะเกิดขึ้นพร้อมกัน หลังจากช่วงเวลาหนึ่งจะถึงสมดุลพลวัต และในที่สุดก็จะเกิดเป็นรอยต่อชอตต์กี (Schottky junction) ภายใต้สภาวะที่มีแสง บริเวณกั้นจะดูดซับแสงโดยตรงและสร้างคู่ของอิเล็กตรอนและโฮล ในขณะที่ตัวนำที่เกิดจากแสงภายในรอยต่อ PN จำเป็นต้องผ่านบริเวณการแพร่กระจายเพื่อไปยังบริเวณรอยต่อ เมื่อเปรียบเทียบกับรอยต่อ PN แล้ว โฟโตดีเทคเตอร์ที่ใช้รอยต่อชอตต์กีจะมีอัตราการตอบสนองที่เร็วกว่า และอัตราการตอบสนองอาจสูงถึงระดับนาโนวินาที (ns)