نوع ساختار دستگاه ردیاب نوری

نوع ازدستگاه ردیاب نوریساختار
ردیاب نوروسیله ای است که سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند، ساختار و تنوع آن را می توان به طور عمده به دسته های زیر تقسیم کرد:
(1) ردیاب نوری رسانا
هنگامی که دستگاه های رسانای نوری در معرض نور قرار می گیرند، حامل نوری رسانایی آنها را افزایش می دهد و مقاومت آنها را کاهش می دهد. حامل های برانگیخته شده در دمای اتاق به صورت جهت دار تحت تأثیر میدان الکتریکی حرکت می کنند و در نتیجه جریانی تولید می کنند. تحت شرایط نور، الکترون ها برانگیخته می شوند و انتقال رخ می دهد. در همان زمان، آنها تحت عمل یک میدان الکتریکی برای تشکیل یک جریان نوری حرکت می کنند. حامل های تولید شده نوری باعث افزایش رسانایی دستگاه و در نتیجه کاهش مقاومت می شود. آشکارسازهای نوری رسانای نوری معمولاً بهره بالا و پاسخ‌دهی زیادی را در عملکرد نشان می‌دهند، اما نمی‌توانند به سیگنال‌های نوری با فرکانس بالا پاسخ دهند، بنابراین سرعت پاسخ آهسته است، که کاربرد دستگاه‌های رسانای نوری را در برخی جنبه‌ها محدود می‌کند.

(2)ردیاب نوری PN
ردیاب نوری PN از تماس بین مواد نیمه هادی نوع P و مواد نیمه هادی نوع N تشکیل می شود. قبل از اینکه تماس ایجاد شود، این دو ماده در یک حالت جداگانه قرار دارند. سطح فرمی در نیمه هادی نوع P نزدیک به لبه باند ظرفیت است، در حالی که سطح فرمی در نیمه هادی نوع N نزدیک به لبه نوار رسانایی است. در همان زمان، سطح فرمی ماده نوع N در لبه نوار رسانایی به طور مداوم به سمت پایین جابجا می شود تا زمانی که سطح فرمی دو ماده در یک موقعیت قرار گیرد. تغییر موقعیت نوار هدایت و باند ظرفیت نیز با خم شدن باند همراه است. اتصال PN در حالت تعادل است و سطح فرمی یکنواخت دارد. از جنبه تجزیه و تحلیل حامل بار، بیشتر حامل های بار در مواد نوع P سوراخ هستند، در حالی که بیشتر حامل های بار در مواد نوع N الکترون هستند. هنگامی که دو ماده در تماس هستند، به دلیل تفاوت در غلظت حامل، الکترون‌های موجود در مواد نوع N به نوع P منتشر می‌شوند، در حالی که الکترون‌های موجود در مواد نوع N در جهت مخالف سوراخ‌ها منتشر می‌شوند. ناحیه جبران نشده ای که از انتشار الکترون ها و حفره ها باقی می ماند، یک میدان الکتریکی داخلی را تشکیل می دهد، و میدان الکتریکی داخلی، رانش حامل را تغییر می دهد، و جهت رانش دقیقا مخالف جهت انتشار است، به این معنی که تشکیل میدان الکتریکی داخلی از انتشار حامل ها جلوگیری می کند و در داخل اتصال PN هم انتشار و هم رانش وجود دارد تا زمانی که دو نوع حرکت متعادل شوند، به طوری که جریان حامل ساکن صفر شود. تعادل دینامیکی داخلی
هنگامی که اتصال PN در معرض تابش نور قرار می گیرد، انرژی فوتون به حامل منتقل می شود و حامل فوتو تولید شده، یعنی جفت الکترون-حفره فوتو مولد تولید می شود. تحت عمل میدان الکتریکی، الکترون و حفره به ترتیب به سمت ناحیه N و ناحیه P حرکت می‌کنند و رانش جهتی حامل نور تولید شده، جریان نوری ایجاد می‌کند. این اصل اساسی آشکارساز نوری اتصال PN است.

(3)ردیاب نوری پین
فتودیود پین یک ماده از نوع P و ماده نوع N بین لایه I است، لایه I ماده به طور کلی یک ماده ذاتی یا کم دوپینگ است. مکانیسم کار آن شبیه به اتصال PN است، زمانی که اتصال PIN در معرض تابش نور قرار می گیرد، فوتون انرژی را به الکترون منتقل می کند و حامل های بار فوتو مولد تولید می کند و میدان الکتریکی داخلی یا میدان الکتریکی خارجی، حفره الکترونی فوتو مولد را جدا می کند. در لایه تخلیه جفت می شود و حامل های بار رانش شده جریانی را در مدار خارجی تشکیل می دهند. نقش لایه I گسترش عرض لایه تخلیه است و لایه I به طور کامل به لایه تخلیه تحت یک ولتاژ بایاس بزرگ تبدیل می شود و جفت های الکترون-حفره تولید شده به سرعت از هم جدا می شوند، بنابراین سرعت پاسخ ردیاب اتصال PIN عموماً سریعتر از آشکارساز اتصال PN است. حامل های خارج از لایه I نیز توسط لایه تخلیه از طریق حرکت انتشار جمع آوری می شوند و جریان انتشار را تشکیل می دهند. ضخامت لایه I به طور کلی بسیار نازک است و هدف آن بهبود سرعت پاسخ آشکارساز است.

(4)ردیاب نوری APDفتودیود بهمن
مکانیسم ازفتودیود بهمنشبیه اتصال PN است. آشکارساز نوری APD از اتصال PN به شدت دوپ شده استفاده می کند، ولتاژ عملیاتی بر اساس تشخیص APD بزرگ است و هنگامی که یک بایاس معکوس بزرگ اضافه می شود، یونیزاسیون برخورد و ضرب بهمن در داخل APD رخ می دهد و عملکرد آشکارساز جریان نوری را افزایش می دهد. هنگامی که APD در حالت بایاس معکوس قرار دارد، میدان الکتریکی در لایه تخلیه بسیار قوی خواهد بود و حامل های تولید شده توسط نور به سرعت از هم جدا می شوند و به سرعت تحت عمل میدان الکتریکی جابجا می شوند. این احتمال وجود دارد که الکترون ها در طول این فرآیند به شبکه برخورد کنند و باعث یونیزه شدن الکترون های شبکه شوند. این فرآیند تکرار می شود و یون های یونیزه شده در شبکه نیز با شبکه برخورد می کنند و باعث می شود تعداد حامل های بار در APD افزایش یابد و در نتیجه جریان زیادی ایجاد شود. این مکانیزم فیزیکی منحصر به فرد در داخل APD است که آشکارسازهای مبتنی بر APD عموماً دارای ویژگی های سرعت پاسخ سریع، افزایش مقدار جریان زیاد و حساسیت بالا هستند. در مقایسه با اتصال PN و اتصال PIN، APD دارای سرعت پاسخ سریع‌تری است که سریع‌ترین سرعت پاسخ در میان لوله‌های حساس به نور فعلی است.

(5) ردیاب نوری اتصال شاتکی
ساختار اصلی ردیاب اتصال شاتکی یک دیود شاتکی است که ویژگی های الکتریکی آن شبیه به اتصال PN است که در بالا توضیح داده شد و دارای رسانایی یک جهته با رسانایی مثبت و قطع معکوس است. هنگامی که یک فلز با عملکرد کار بالا و یک نیمه هادی با عملکرد کار پایین تماس برقرار می کنند، یک مانع شاتکی تشکیل می شود و اتصال حاصل یک اتصال شاتکی است. مکانیسم اصلی تا حدودی شبیه به اتصال PN است، به عنوان مثال نیمه هادی های نوع N را در نظر می گیریم، زمانی که دو ماده با یکدیگر تماس برقرار می کنند، به دلیل غلظت الکترون های مختلف دو ماده، الکترون های موجود در نیمه هادی به سمت فلز پخش می شوند. الکترون های منتشر شده به طور مداوم در یک انتهای فلز جمع می شوند، در نتیجه خنثی الکتریکی اصلی فلز را از بین می برند، یک میدان الکتریکی داخلی از نیمه هادی به فلز در سطح تماس تشکیل می دهند و الکترون ها تحت تأثیر این فلز حرکت می کنند. میدان الکتریکی داخلی، و حرکت انتشار و رانش حامل به طور همزمان انجام می شود، پس از مدتی برای رسیدن به تعادل دینامیکی، و در نهایت یک اتصال شاتکی را تشکیل می دهد. در شرایط نوری، ناحیه مانع مستقیماً نور را جذب می‌کند و جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کند، در حالی که حامل‌های تولید شده در داخل پیوند PN باید از ناحیه انتشار عبور کنند تا به ناحیه اتصال برسند. در مقایسه با اتصال PN، آشکارساز نوری مبتنی بر اتصال شاتکی سرعت پاسخگویی سریع‌تری دارد و سرعت پاسخ حتی می‌تواند به سطح ns برسد.