סוג מבנה התקן גלאי הפוטו

סוג שלמכשיר גלאי אורמִבְנֶה
גלאי פוטואידהוא מכשיר הממיר אות אופטי לאות חשמלי, מבנהו ומגווןו ניתן לחלק בעיקר לקטגוריות הבאות:
(1) גלאי פוטו-מוליך
כאשר התקנים פוטו-מולכיים נחשפים לאור, נושא הגלאים הפוטו-מולכיים מגביר את המוליכות שלו ומקטין את ההתנגדות שלו. הנושאים המעוררים בטמפרטורת החדר נעים בצורה כיוונית תחת פעולת שדה חשמלי, ובכך יוצרים זרם. בתנאי אור, אלקטרונים מעוררים ומתרחשת מעבר. במקביל, הם נסחפים תחת פעולת שדה חשמלי ליצירת זרם פוטו-מולכי. נושאי הגלאים הפוטו-מולכיים שנוצרים כתוצאה מכך מגבירים את המוליכות של ההתקן ובכך מפחיתים את ההתנגדות. גלאי פוטו-מולכיים בדרך כלל מציגים הגבר גבוה ותגובתיות גבוהה בביצועים, אך הם אינם יכולים להגיב לאותות אופטיים בתדר גבוה, ולכן מהירות התגובה איטית, דבר המגביל את היישום של התקנים פוטו-מולכיים בהיבטים מסוימים.

(2)גלאי פוטו PN
גלאי פוטו PN נוצר על ידי מגע בין חומר מוליך למחצה מסוג P וחומר מוליך למחצה מסוג N. לפני יצירת המגע, שני החומרים נמצאים במצב נפרד. רמת הפרמי במוליך למחצה מסוג P קרובה לקצה פס הערכיות, בעוד שרמת הפרמי במוליך למחצה מסוג N קרובה לקצה פס ההולכה. במקביל, רמת הפרמי של החומר מסוג N בקצה פס ההולכה מוזזת כלפי מטה ברציפות עד שרמת הפרמי של שני החומרים נמצאת באותו מיקום. שינוי מיקום פס ההולכה ופס הערכיות מלווה גם בכיפוף הפס. צומת ה-PN נמצאת בשיווי משקל ובעלת רמת פרמי אחידה. מבחינת ניתוח נושאי המטען, רוב נושאי המטען בחומרים מסוג P הם חורים, בעוד שרוב נושאי המטען בחומרים מסוג N הם אלקטרונים. כאשר שני החומרים נמצאים במגע, עקב ההבדל בריכוז נושאי המטען, האלקטרונים בחומרים מסוג N יתפזרו לסוג P, בעוד שהאלקטרונים בחומרים מסוג N יתפזרו בכיוון ההפוך לחורים. השטח הלא מפוצה שנותר על ידי דיפוזיה של אלקטרונים וחורים ייצור שדה חשמלי מובנה, והשדה החשמלי המובנה יגרום לסחיפת נושאי מטען, וכיוון הסחיפה הוא בדיוק הפוך לכיוון הדיפוזיה, מה שאומר שהיווצרות השדה החשמלי המובנה מונעת את דיפוזיה של נושאי מטען, ויש גם דיפוזיה וגם סחיפה בתוך צומת ה-PN עד ששני סוגי התנועה מאוזנים, כך שזרימת הנושא הסטטית תהיה אפס. איזון דינמי פנימי.
כאשר צומת PN נחשף לקרינת אור, אנרגיית הפוטון מועברת לגלאי הפוטון, ונוצר הגלאי הפוטואלקטרוני, כלומר, זוג האלקטרון-חור שנוצר באמצעות פוטונציה. תחת פעולת השדה החשמלי, האלקטרון והחור נסחפים לאזור N ולאזור P בהתאמה, והסחיפה הכיוונית של הגלאי הפוטואלקטרוני מייצרת זרם פוטואלקטרי. זהו העיקרון הבסיסי של גלאי הפוטואלקטרי בצומת PN.

(3)גלאי פוטו-קוד PIN
פוטודיודת פינים היא חומר מסוג P וחומר מסוג N בין שכבת I. שכבת ה-I של החומר היא בדרך כלל חומר פנימי או בעל סימום נמוך. מנגנון הפעולה שלה דומה לצומת PN. כאשר צומת ה-PIN נחשף לקרינת אור, הפוטון מעביר אנרגיה לאלקטרון, ויוצר נושאי מטען פוטואלקטרוניים. השדה החשמלי הפנימי או השדה החשמלי החיצוני יפרידו בין זוגות האלקטרונים-חורים שנוצרו פוטואלקטרוניים בשכבת הדלדול, ונושאי המטען הסחפים ייצרו זרם במעגל החיצוני. תפקידה של שכבה I הוא להרחיב את רוחב שכבת הדלדול, ושכבה I תהפוך לחלוטין לשכבת דלדול תחת מתח הטיה גדול. זוגות האלקטרונים-חורים שנוצרו יופרדו במהירות, כך שמהירות התגובה של גלאי הפוטואלקטרוני של צומת PIN היא בדרך כלל מהירה יותר מזו של גלאי צומת PN. נושאי מטען מחוץ לשכבת I נאספים גם הם על ידי שכבת הדלדול באמצעות תנועת דיפוזיה, ויוצרים זרם דיפוזיה. עובי שכבת ה-I הוא בדרך כלל דק מאוד, ומטרתה לשפר את מהירות התגובה של הגלאי.

(4)גלאי פוטו APDפוטודיודה של מפולת שלגים
המנגנון שלפוטודיודה של מפולת שלגיםדומה לזה של צומת PN. גלאי הפוטואלקטרי APD משתמש בצומת PN מסומם מאוד, מתח ההפעלה המבוסס על גילוי APD גדול, וכאשר מוסיפים הטיה הפוכה גדולה, יתרחשו יינון התנגשות וכפל מפולת שלגים בתוך APD, וביצועי הגלאי גדלים בזרם הפוטואלקטרי. כאשר APD נמצא במצב הטיה הפוכה, השדה החשמלי בשכבת הדלדול יהיה חזק מאוד, ונושאי המטען הפוטואלקטריים שנוצרים על ידי האור יופרדו במהירות וייסחפו במהירות תחת פעולת השדה החשמלי. קיימת סבירות שאלקטרונים יתנגשו בסריג במהלך תהליך זה, מה שיגרום לאלקטרונים בסריג להיות מייננים. תהליך זה חוזר על עצמו, והיונים המיוננים בסריג גם הם מתנגשים בסריג, מה שיגרום למספר נושאי המטען ב-APD להגדיל, וכתוצאה מכך נוצר זרם גדול. זהו מנגנון פיזי ייחודי זה בתוך APD שגורם לגלאים מבוססי APD בדרך כלל למאפיינים של מהירות תגובה מהירה, רווח זרם גדול ורגישות גבוהה. בהשוואה לצומת PN וצומת PIN, ל-APD יש מהירות תגובה מהירה יותר, שהיא מהירות התגובה המהירה ביותר מבין הצינורות הרגישים לאור הנוכחיים.

(5) גלאי פוטו של צומת שוטקי
המבנה הבסיסי של גלאי הפוטואלקטרי של צומת Schottky הוא דיודת Schottky, שמאפייניה החשמליים דומים לאלה של צומת PN שתואר לעיל, ויש לה מוליכות חד כיוונית עם הולכה חיובית וחיתוך הפוך. כאשר מתכת עם פונקציית עבודה גבוהה ומוליך למחצה עם פונקציית עבודה נמוכה יוצרים מגע, נוצר מחסום Schottky, והצומת שנוצר הוא צומת Schottky. המנגנון העיקרי דומה במידה מסוימת לצומת PN, אם ניקח לדוגמה מוליכים למחצה מסוג N, כאשר שני חומרים יוצרים מגע, עקב ריכוזי אלקטרונים שונים של שני החומרים, האלקטרונים במוליך למחצה יתפזרו לצד המתכתי. האלקטרונים המפוזרים מצטברים ברציפות בקצה אחד של המתכת, ובכך הורסים את הנייטרליות החשמלית המקורית של המתכת, ויוצרים שדה חשמלי מובנה מהמוליך למחצה למתכת על משטח המגע, והאלקטרונים ייסחפו תחת פעולת השדה החשמלי הפנימי, ותנועת הדיפוזיה והסחיפה של נושא הגל יתבצעו בו זמנית, לאחר פרק זמן מסוים כדי להגיע לשיווי משקל דינמי, ולבסוף ליצור צומת Schottky. בתנאי תאורה, אזור המחסום סופג אור ישירות ויוצר זוגות של אלקטרון-חור, בעוד שנושאי הגל הנוצרים על ידי הפוטו בתוך צומת ה-PN צריכים לעבור דרך אזור הדיפוזיה כדי להגיע לאזור הצומת. בהשוואה לצומת PN, לגלאי הפוטו המבוסס על צומת שוטקי יש מהירות תגובה מהירה יותר, ומהירות התגובה יכולה להגיע אף לרמת ns.