نوع ساختار دستگاه آشکارساز نوری

نوعدستگاه آشکارساز نوریساختار
آشکارساز نوریدستگاهی است که سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. ساختار و تنوع آن را می‌توان عمدتاً به دسته‌های زیر تقسیم کرد:
(1) آشکارساز نوری رسانا
وقتی دستگاه‌های فوتورسانا در معرض نور قرار می‌گیرند، حامل تولید شده توسط نور، رسانایی آنها را افزایش و مقاومت آنها را کاهش می‌دهد. حامل‌های برانگیخته شده در دمای اتاق، تحت تأثیر میدان الکتریکی به صورت جهت‌دار حرکت می‌کنند و در نتیجه جریانی تولید می‌کنند. در شرایط نور، الکترون‌ها برانگیخته می‌شوند و گذار رخ می‌دهد. در همان زمان، آنها تحت تأثیر میدان الکتریکی رانده می‌شوند تا یک جریان نوری تشکیل دهند. حامل‌های تولید شده توسط نور، رسانایی دستگاه را افزایش داده و در نتیجه مقاومت را کاهش می‌دهند. آشکارسازهای نوری فوتورسانا معمولاً بهره بالا و پاسخ‌دهی بالایی در عملکرد نشان می‌دهند، اما نمی‌توانند به سیگنال‌های نوری با فرکانس بالا پاسخ دهند، بنابراین سرعت پاسخ‌دهی کند است، که کاربرد دستگاه‌های فوتورسانا را از برخی جنبه‌ها محدود می‌کند.

(2)آشکارساز نوری PN
آشکارساز نوری PN از تماس بین ماده نیمه‌هادی نوع P و ماده نیمه‌هادی نوع N تشکیل می‌شود. قبل از تشکیل تماس، دو ماده در حالت جداگانه‌ای قرار دارند. سطح فرمی در نیمه‌هادی نوع P نزدیک به لبه نوار ظرفیت است، در حالی که سطح فرمی در نیمه‌هادی نوع N نزدیک به لبه نوار رسانش است. در همان زمان، سطح فرمی ماده نوع N در لبه نوار رسانش به طور مداوم به سمت پایین جابجا می‌شود تا سطح فرمی دو ماده در موقعیت یکسانی قرار گیرد. تغییر موقعیت نوار رسانش و نوار ظرفیت نیز با خم شدن نوار همراه است. اتصال PN در حالت تعادل است و دارای سطح فرمی یکنواختی است. از نظر تجزیه و تحلیل حامل‌های بار، بیشتر حامل‌های بار در مواد نوع P حفره‌ها هستند، در حالی که بیشتر حامل‌های بار در مواد نوع N الکترون‌ها هستند. وقتی دو ماده در تماس هستند، به دلیل تفاوت در غلظت حامل‌ها، الکترون‌ها در مواد نوع N به نوع P نفوذ می‌کنند، در حالی که الکترون‌ها در مواد نوع N در جهت مخالف حفره‌ها نفوذ می‌کنند. ناحیه جبران نشده‌ای که از نفوذ الکترون‌ها و حفره‌ها باقی می‌ماند، یک میدان الکتریکی داخلی تشکیل می‌دهد و میدان الکتریکی داخلی به سمت رانش حامل‌ها متمایل می‌شود و جهت رانش درست در خلاف جهت انتشار است، به این معنی که تشکیل میدان الکتریکی داخلی از انتشار حامل‌ها جلوگیری می‌کند و تا زمانی که دو نوع حرکت متعادل نشوند، هم انتشار و هم رانش در داخل اتصال PN وجود دارد، به طوری که جریان حامل‌های استاتیک صفر است. تعادل دینامیکی داخلی.
وقتی پیوند PN در معرض تابش نور قرار می‌گیرد، انرژی فوتون به حامل منتقل می‌شود و حامل تولید شده توسط نور، یعنی جفت الکترون-حفره تولید شده توسط نور، تولید می‌شود. تحت تأثیر میدان الکتریکی، الکترون و حفره به ترتیب به ناحیه N و ناحیه P رانده می‌شوند و رانش جهت‌دار حامل تولید شده توسط نور، جریان نوری ایجاد می‌کند. این اصل اساسی آشکارساز نوری پیوند PN است.

(3)آشکارساز نوری پین
فوتودیود پین یک ماده نوع P و ماده نوع N بین لایه I است، لایه I این ماده عموماً یک ماده ذاتی یا کم آلایش است. مکانیسم کار آن مشابه اتصال PN است، هنگامی که اتصال PIN در معرض تابش نور قرار می‌گیرد، فوتون انرژی را به الکترون منتقل می‌کند و حامل‌های بار تولید شده توسط نور را تولید می‌کند و میدان الکتریکی داخلی یا میدان الکتریکی خارجی جفت‌های الکترون-حفره تولید شده توسط نور را در لایه تخلیه جدا می‌کند و حامل‌های بار رانش شده جریانی را در مدار خارجی تشکیل می‌دهند. نقشی که لایه I ایفا می‌کند، گسترش عرض لایه تخلیه است و لایه I تحت یک ولتاژ بایاس بزرگ کاملاً به لایه تخلیه تبدیل می‌شود و جفت‌های الکترون-حفره تولید شده به سرعت از هم جدا می‌شوند، بنابراین سرعت پاسخ آشکارساز اتصال PIN عموماً سریع‌تر از آشکارساز اتصال PN است. حامل‌های خارج از لایه I نیز توسط لایه تخلیه از طریق حرکت انتشار جمع‌آوری می‌شوند و یک جریان انتشار تشکیل می‌دهند. ضخامت لایه I عموماً بسیار نازک است و هدف آن بهبود سرعت پاسخ آشکارساز است.

(4)آشکارساز نوری APDفتودیود بهمنی
مکانیسمفتودیود بهمنیمشابه اتصال PN است. آشکارساز نوری APD از اتصال PN با آلاییدگی زیاد استفاده می‌کند، ولتاژ عملیاتی مبتنی بر تشخیص APD بزرگ است و هنگامی که یک بایاس معکوس بزرگ اضافه می‌شود، یونیزاسیون برخوردی و تکثیر بهمنی در داخل APD رخ می‌دهد و عملکرد آشکارساز جریان نوری را افزایش می‌دهد. هنگامی که APD در حالت بایاس معکوس قرار دارد، میدان الکتریکی در لایه تخلیه بسیار قوی خواهد بود و حامل‌های تولید شده توسط نور به سرعت از هم جدا شده و تحت تأثیر میدان الکتریکی به سرعت رانده می‌شوند. این احتمال وجود دارد که الکترون‌ها در طول این فرآیند به شبکه برخورد کنند و باعث یونیزه شدن الکترون‌های شبکه شوند. این فرآیند تکرار می‌شود و یون‌های یونیزه شده در شبکه نیز با شبکه برخورد می‌کنند و باعث افزایش تعداد حامل‌های بار در APD می‌شوند و در نتیجه جریان زیادی ایجاد می‌شود. این مکانیسم فیزیکی منحصر به فرد در داخل APD است که آشکارسازهای مبتنی بر APD عموماً دارای ویژگی‌های سرعت پاسخ سریع، بهره جریان زیاد و حساسیت بالا هستند. در مقایسه با اتصال PN و اتصال PIN، APD سرعت پاسخ سریع‌تری دارد که سریع‌ترین سرعت پاسخ در بین لامپ‌های حساس به نور فعلی است.

(5) آشکارساز نوری اتصال شاتکی
ساختار اساسی آشکارساز نوری پیوند شاتکی، یک دیود شاتکی است که ویژگی‌های الکتریکی آن مشابه پیوند PN که در بالا توضیح داده شد، می‌باشد و دارای رسانایی یک‌طرفه با رسانایی مثبت و قطع معکوس است. هنگامی که یک فلز با تابع کار بالا و یک نیمه‌رسانا با تابع کار پایین با هم تماس پیدا می‌کنند، یک سد شاتکی تشکیل می‌شود و پیوند حاصل، پیوند شاتکی است. مکانیسم اصلی تا حدودی شبیه به پیوند PN است، به عنوان مثال نیمه‌رساناهای نوع N، هنگامی که دو ماده با هم تماس پیدا می‌کنند، به دلیل غلظت‌های مختلف الکترون در دو ماده، الکترون‌های موجود در نیمه‌رسانا به سمت فلز پخش می‌شوند. الکترون‌های پخش شده به طور مداوم در یک انتهای فلز جمع می‌شوند و در نتیجه خنثی بودن الکتریکی اولیه فلز را از بین می‌برند و یک میدان الکتریکی داخلی از نیمه‌رسانا به فلز روی سطح تماس تشکیل می‌دهند و الکترون‌ها تحت عمل میدان الکتریکی داخلی رانش می‌کنند و حرکت انتشار و رانش حامل به طور همزمان انجام می‌شود، پس از مدتی به تعادل دینامیکی می‌رسند و در نهایت یک پیوند شاتکی تشکیل می‌دهند. در شرایط نوری، ناحیه سد مستقیماً نور را جذب کرده و جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کند، در حالی که حامل‌های تولید شده توسط نور در داخل پیوند PN برای رسیدن به ناحیه پیوند باید از ناحیه انتشار عبور کنند. در مقایسه با پیوند PN، آشکارساز نوری مبتنی بر پیوند شاتکی سرعت پاسخ سریع‌تری دارد و سرعت پاسخ حتی می‌تواند به سطح نانوثانیه برسد.