סוג מבנה התקן photodetector

סוג שלמכשיר photodetectorמִבְנֶה
גלאי צילוםהוא מכשיר הממיר אות אופטי לאות חשמלי, ‌ המבנה והמגוון שלו, ‌ ניתן לחלק בעיקר לקטגוריות הבאות: ‌
(1) Photoconductive Photodetector
כאשר מכשירים פוטו-מוליכים נחשפים לאור, הספק שנוצר בפוטו מגביר את המוליכות שלהם ומקטין את ההתנגדות שלהם. הנשאים הנרגשים בטמפרטורת החדר נעים בצורה כיוונית תחת פעולת שדה חשמלי, ובכך יוצרים זרם. בתנאי האור, אלקטרונים מתרגשים ומתרחש מעבר. במקביל, הם נסחפים תחת פעולתו של שדה חשמלי ליצירת זרם פוטו. הנשאים שנוצרו בפוטו מגדילים את המוליכות של המכשיר ובכך מפחיתים את ההתנגדות. גלאי פוטו מוליכים בדרך כלל מראים רווח גבוה ותגובתיות רבה בביצועים, אך הם אינם יכולים להגיב לאותות אופטיים בתדר גבוה, ולכן מהירות התגובה איטית, מה שמגביל את היישום של התקנים פוטומוליכים בהיבטים מסוימים.

(2)גלאי צילום PN
photodetector PN נוצר על ידי המגע בין חומר מוליכים למחצה מסוג P לחומר מוליכים למחצה מסוג N. לפני יצירת המגע, שני החומרים נמצאים במצב נפרד. רמת Fermi במוליך למחצה מסוג P קרובה לקצה פס הערכיות, בעוד שרמת Fermi במוליך למחצה מסוג N קרובה לקצה פס ההולכה. במקביל, רמת הפרמי של החומר מסוג N בקצה פס ההולכה מוזזת כל הזמן כלפי מטה עד שרמת הפרמי של שני החומרים נמצאת באותו מיקום. שינוי המיקום של רצועת ההולכה ורצועת הערכיות מלווה גם בכיפוף הלהקה. צומת ה-PN נמצא בשיווי משקל ובעל רמת פרמי אחידה. מההיבט של 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 הנשאים, האלקטרונים בחומרים מסוג N יתפזרו ל-P, בעוד שהאלקטרונים בחומרים מסוג N יתפזרו בכיוון ההפוך לחורים. השטח הלא מפוצה שנותר על ידי דיפוזיה של אלקטרונים וחורים יהווה שדה חשמלי מובנה, והשדה החשמלי המובנה יגרום לסחיפה של נושאות, וכיוון הסחיפה הוא בדיוק הפוך לכיוון הדיפוזיה, כלומר היווצרות השדה החשמלי המובנה מונעת דיפוזיה של נשאים, ויש גם דיפוזיה וגם סחיפה בתוך צומת PN עד ששני סוגי התנועה מאוזנים, כך שזרימת הנשא הסטטית היא אפס. איזון דינמי פנימי.
כאשר צומת ה-PN נחשף לקרינת אור, האנרגיה של הפוטון מועברת לנשא, ונוצר הנשא הנוצר בפוטו, כלומר זוג האלקטרון-חור הנוצר. תחת פעולת השדה החשמלי, האלקטרון והחור נסחפים לאזור N ואזור P בהתאמה, והסחיפה הכיוונית של הספק שנוצר בפוטו מייצרת זרם צילום. זהו העיקרון הבסיסי של photodetector של צומת PN.

(3)גלאי צילום PIN
פוטודיודת פינים היא חומר מסוג P וחומר מסוג N בין שכבת I, שכבת I של החומר היא בדרך כלל חומר מהותי או בעל סימום נמוך. מנגנון העבודה שלו דומה לצומת ה-PN, כאשר צומת ה-PIN חשוף לקרינת אור, הפוטון מעביר אנרגיה לאלקטרון, ומייצר נושאי מטען שנוצרים בפוטו, והשדה החשמלי הפנימי או השדה החשמלי החיצוני יפרידו בין חור האלקטרון שנוצר בפוטו. זוגות בשכבת הדלדול, ונושאי המטען הנסחפים ייצרו זרם במעגל החיצוני. תפקידה של שכבה I הוא להרחיב את רוחב שכבת הדלדול, והשכבה I תהפוך לחלוטין לשכבת הדלדול תחת מתח הטיה גדול, וזוגות האלקטרון-חור שנוצרו יופרדו במהירות, כך שמהירות התגובה של Photodetector של צומת PIN הוא בדרך כלל מהיר יותר מזה של גלאי צומת PN. נשאים מחוץ לשכבת I נאספים גם על ידי שכבת הדלדול באמצעות תנועת דיפוזיה, ויוצרים זרם דיפוזיה. עובי שכבת I הוא בדרך כלל דק מאוד, ומטרתה לשפר את מהירות התגובה של הגלאי.

(4)גלאי צילום APDפוטודיודת מפולת
המנגנון שלפוטודיודת מפולתדומה לזה של צומת PN. גלאי צילום APD משתמש בצומת PN עם סימום כבד, מתח ההפעלה המבוסס על זיהוי APD גדול, וכאשר מתווספת הטיה הפוכה גדולה, יינון התנגשות והכפלת מפולת יתרחשו בתוך APD, וביצועי הגלאי מוגברים בזרם הפוטו. כאשר APD נמצא במצב הטיה הפוכה, השדה החשמלי בשכבת הדלדול יהיה חזק מאוד, והנשאים הנוצרים בפוטו שנוצרו על ידי האור יופרדו במהירות ויסחפו במהירות תחת פעולת השדה החשמלי. ישנה סבירות שאלקטרונים יתנגשו בסריג במהלך תהליך זה, ויגרמו ליינון האלקטרונים בסריג. תהליך זה חוזר על עצמו, והיונים המיוננים בסריג מתנגשים אף הם בסריג, מה שגורם לעלייה במספר נושאי המטען ב-APD, וכתוצאה מכך זרם גדול. זה המנגנון הפיזי הייחודי הזה בתוך APD שלגלאים מבוססי APD יש בדרך כלל את המאפיינים של מהירות תגובה מהירה, רווח ערך 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 צילום של צומת שוטקי
המבנה הבסיסי של הפוטו-גלאי של צומת Schottky הוא דיודת Schottky, שהמאפיינים החשמליים שלה דומים לאלו של צומת ה-PN שתוארו 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 שוטקי, והצומת המתקבל הוא צומת שוטקי. המנגנון העיקרי דומה במקצת לצומת PN, אם לוקחים לדוגמה מוליכים למחצה מסוג N, כאשר שני חומרים יוצרים מגע, עקב ריכוזי האלקטרונים השונים של שני החומרים, האלקטרונים במוליך למחצה יתפזרו לצד המתכת. 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 שדה חשמלי פנימי, ותנועת הדיפוזיה והסחף של הנשא יתבצעו בו-זמנית, לאחר פרק זמן כדי להגיע לשיווי משקל דינמי, ולבסוף ליצור צומת שוטקי. בתנאי אור, אזור המחסום סופג ישירות אור ומייצר זוגות אלקטרונים-חורים, בעוד שהנשאים הנוצרים בפוטו בתוך צומת ה-PN צריכים לעבור דרך אזור הדיפוזיה כדי להגיע לאזור הצומת. בהשוואה לצומת PN, ל-photodetector המבוסס על צומת Schottky יש מהירות תגובה מהירה יותר, ומהירות התגובה יכולה להגיע אפילו לרמת ns.