Loại cấu trúc thiết bị cảm biến quang

Loạithiết bị dò quangkết cấu
Máy dò ảnhlà một thiết bị chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, ‌ cấu trúc và tính đa dạng của nó, ‌ có thể được chia chủ yếu thành các loại sau: ‌
(1) Bộ tách sóng quang dẫn
Khi các thiết bị quang dẫn tiếp xúc với ánh sáng, hạt mang quang sinh ra làm tăng độ dẫn điện và giảm điện trở của chúng. Các hạt mang được kích thích ở nhiệt độ phòng di chuyển theo hướng dưới tác động của điện trường, do đó tạo ra dòng điện. Trong điều kiện ánh sáng, các electron bị kích thích và quá trình chuyển đổi xảy ra. Đồng thời, chúng trôi dạt dưới tác động của điện trường để tạo thành dòng điện quang. Các hạt mang quang sinh ra tạo ra làm tăng độ dẫn điện của thiết bị và do đó làm giảm điện trở. Các bộ tách sóng quang dẫn thường cho độ lợi cao và khả năng phản hồi tốt về hiệu suất, nhưng chúng không thể phản hồi với tín hiệu quang tần số cao, do đó tốc độ phản hồi chậm, điều này hạn chế ứng dụng của các thiết bị quang dẫn ở một số khía cạnh.

(2)Bộ tách sóng quang PN
Bộ tách sóng quang PN được hình thành do sự tiếp xúc giữa vật liệu bán dẫn loại P và vật liệu bán dẫn loại N. Trước khi tiếp xúc được hình thành, hai vật liệu ở trạng thái riêng biệt. Mức Fermi trong chất bán dẫn loại P nằm gần rìa của vùng hóa trị, trong khi mức Fermi trong chất bán dẫn loại N nằm gần rìa của vùng dẫn. Đồng thời, mức Fermi của vật liệu loại N tại rìa của vùng dẫn liên tục dịch chuyển xuống dưới cho đến khi mức Fermi của hai vật liệu ở cùng một vị trí. Sự thay đổi vị trí của vùng dẫn và vùng hóa trị cũng đi kèm với sự uốn cong của vùng. Tiếp giáp PN ở trạng thái cân bằng và có mức Fermi đồng nhất. Xét về khía cạnh phân tích hạt mang điện, hầu hết các hạt mang điện trong vật liệu loại P là lỗ trống, trong khi hầu hết các hạt mang điện trong vật liệu loại N là electron. Khi hai vật liệu tiếp xúc, do sự chênh lệch nồng độ hạt mang điện, các electron trong vật liệu loại N sẽ khuếch tán sang vật liệu loại P, trong khi các electron trong vật liệu loại N sẽ khuếch tán theo hướng ngược lại với các lỗ trống. Diện tích không được bù trừ do sự khuếch tán của các electron và lỗ trống sẽ hình thành một điện trường tích hợp, và điện trường tích hợp sẽ có xu hướng trôi dạt của các hạt mang điện, và hướng trôi dạt hoàn toàn ngược với hướng khuếch tán, điều này có nghĩa là sự hình thành của điện trường tích hợp ngăn cản sự khuếch tán của các hạt mang điện, và có cả sự khuếch tán và trôi dạt bên trong tiếp giáp PN cho đến khi hai loại chuyển động này cân bằng, do đó dòng hạt mang điện tĩnh bằng không. Cân bằng động bên trong.
Khi tiếp giáp PN tiếp xúc với bức xạ ánh sáng, năng lượng của photon được truyền đến hạt mang điện, và hạt mang điện sinh ra, tức là cặp electron-lỗ trống sinh ra, được tạo ra. Dưới tác động của điện trường, electron và lỗ trống lần lượt trôi về miền N và miền P, và sự trôi định hướng của hạt mang điện sinh ra tạo ra dòng quang. Đây là nguyên lý cơ bản của bộ tách sóng quang tiếp giáp PN.

(3)Máy dò ảnh PIN
Pin photodiode là vật liệu loại P và vật liệu loại N nằm giữa lớp I. Lớp I của vật liệu thường là vật liệu nội tại hoặc có độ pha tạp thấp. Cơ chế hoạt động của nó tương tự như lớp tiếp giáp PN, khi lớp tiếp giáp PIN tiếp xúc với bức xạ ánh sáng, photon truyền năng lượng cho electron, tạo ra các hạt mang điện quang sinh, và điện trường bên trong hoặc điện trường bên ngoài sẽ tách các cặp electron-lỗ trống quang sinh trong lớp cạn kiệt, và các hạt mang điện trôi dạt sẽ tạo thành dòng điện trong mạch ngoài. Vai trò của lớp I là mở rộng chiều rộng của lớp cạn kiệt, và lớp I sẽ hoàn toàn trở thành lớp cạn kiệt dưới điện áp phân cực lớn, và các cặp electron-lỗ trống sinh ra sẽ nhanh chóng tách ra, do đó tốc độ phản ứng của bộ tách sóng quang tiếp giáp PIN thường nhanh hơn so với bộ tách sóng tiếp giáp PN. Các hạt mang điện bên ngoài lớp I cũng được lớp cạn kiệt thu thập thông qua chuyển động khuếch tán, tạo thành dòng điện khuếch tán. Độ dày của lớp I thường rất mỏng, và mục đích của nó là cải thiện tốc độ phản ứng của bộ tách sóng.

(4)Bộ tách sóng quang APDđiốt quang tuyết lở
Cơ chế củađiốt quang tuyết lởtương tự như tiếp giáp PN. Bộ tách sóng quang APD sử dụng tiếp giáp PN pha tạp mạnh, điện áp hoạt động dựa trên phát hiện APD lớn và khi thêm phân cực ngược lớn, hiện tượng ion hóa va chạm và nhân tuyết lở sẽ xảy ra bên trong APD và hiệu suất của bộ tách sóng quang tăng lên. Khi APD ở chế độ phân cực ngược, trường điện trong lớp cạn kiệt sẽ rất mạnh và các hạt mang điện do ánh sáng tạo ra sẽ nhanh chóng tách ra và trôi nhanh dưới tác động của trường điện. Có khả năng các electron sẽ va vào mạng tinh thể trong quá trình này, khiến các electron trong mạng tinh thể bị ion hóa. Quá trình này được lặp lại và các ion bị ion hóa trong mạng tinh thể cũng va chạm với mạng tinh thể, khiến số lượng hạt mang điện trong APD tăng lên, tạo ra dòng điện lớn. Chính cơ chế vật lý độc đáo này bên trong APD mà các bộ tách sóng dựa trên APD thường có các đặc điểm là tốc độ phản hồi nhanh, độ lợi giá trị dòng điện lớn và độ nhạy cao. So với tiếp giáp PN và tiếp giáp PIN, APD có tốc độ phản ứng nhanh hơn, đây là tốc độ phản ứng nhanh nhất trong số các ống nhạy sáng hiện nay.

(5) Bộ tách sóng quang tiếp giáp Schottky
Cấu trúc cơ bản của bộ tách sóng quang tiếp giáp Schottky là một diode Schottky, có đặc tính điện tương tự như tiếp giáp PN được mô tả ở trên, và nó có độ dẫn điện một chiều với độ dẫn điện dương và ngắt ngược. Khi một kim loại có công thoát cao và một chất bán dẫn có công thoát thấp tạo thành tiếp xúc, một rào cản Schottky được hình thành và tiếp giáp kết quả là một tiếp giáp Schottky. Cơ chế chính có phần tương tự như tiếp giáp PN, lấy chất bán dẫn loại N làm ví dụ, khi hai vật liệu tạo thành tiếp xúc, do nồng độ electron khác nhau của hai vật liệu, các electron trong chất bán dẫn sẽ khuếch tán sang phía kim loại. Các electron khuếch tán tích tụ liên tục ở một đầu của kim loại, do đó phá hủy tính trung hòa điện ban đầu của kim loại, hình thành một điện trường nội tại từ chất bán dẫn đến kim loại trên bề mặt tiếp xúc, và các electron sẽ trôi dạt dưới tác động của điện trường bên trong, và sự khuếch tán và chuyển động trôi dạt của hạt tải sẽ diễn ra đồng thời, sau một khoảng thời gian để đạt đến trạng thái cân bằng động và cuối cùng hình thành một tiếp giáp Schottky. Trong điều kiện ánh sáng, vùng rào cản hấp thụ trực tiếp ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, trong khi các hạt mang quang sinh bên trong tiếp giáp PN cần phải đi qua vùng khuếch tán để đến được vùng tiếp giáp. So với tiếp giáp PN, bộ tách sóng quang dựa trên tiếp giáp Schottky có tốc độ phản ứng nhanh hơn, thậm chí có thể đạt đến mức ns.