Loại cấu trúc thiết bị cảm biến quang

Loạithiết bị cảm biến quangkết cấu
Bộ tách sóng quangLà thiết bị chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, cấu trúc và chủng loại của nó chủ yếu có thể được chia thành các loại sau:
(1) Bộ dò quang dẫn
Khi các thiết bị quang dẫn được chiếu sáng, các hạt tải điện được tạo ra do ánh sáng làm tăng độ dẫn điện và giảm điện trở của chúng. Các hạt tải điện bị kích thích ở nhiệt độ phòng di chuyển theo một hướng nhất định dưới tác dụng của điện trường, do đó tạo ra dòng điện. Dưới tác dụng của ánh sáng, các electron bị kích thích và xảy ra quá trình chuyển đổi. Đồng thời, chúng trôi dạt dưới tác dụng của điện trường để tạo thành dòng quang điện. Các hạt tải điện được tạo ra do ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của thiết bị và do đó làm giảm điện trở. Các bộ tách sóng quang dẫn thường thể hiện độ khuếch đại cao và khả năng phản hồi tuyệt vời, nhưng chúng không thể phản hồi với các 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 bởi 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 bán dẫn loại P nằm gần rìa dải hóa trị, trong khi mức Fermi trong bán dẫn loại N nằm gần rìa dải dẫn. Đồng thời, mức Fermi của vật liệu loại N ở rìa dải 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 dải dẫn và dải hóa trị cũng đi kèm với sự uốn cong của dải. Mối nối PN ở trạng thái cân bằng và có mức Fermi đồng nhất. Từ khía cạnh phân tích hạt tải điện, hầu hết các hạt tải điện trong vật liệu loại P là lỗ trống, trong khi hầu hết các hạt tải điện trong vật liệu loại N là electron. Khi hai vật liệu tiếp xúc, do sự khác biệt về nồng độ hạt tải điện, các electron trong vật liệu loại N sẽ khuếch tán sang loại P, trong khi các electron trong vật liệu loại N sẽ khuếch tán theo hướng ngược lại với các lỗ trống. Vùng không được bù trừ do sự khuếch tán của electron và lỗ trống sẽ tạo thành một điện trường nội tại, và điện trường nội tại này sẽ gây ra hiện tượng trôi dạt của các hạt tải điện, hướng trôi dạt ngược với hướng khuếch tán. Điều này có nghĩa là sự hình thành điện trường nội tại ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải điện, và cả khuếch tán và trôi dạt đều xảy ra bên trong mối nối PN cho đến khi hai loại chuyển động này cân bằng, sao cho dòng hạt tải điện tĩnh bằng không. Cân bằng động bên trong.
Khi mối nối PN tiếp xúc với bức xạ ánh sáng, năng lượng của photon được truyền đến các hạt tải điện, và các hạt tải điện quang, tức là cặp electron-lỗ trống quang sinh, được tạo ra. Dưới tác dụng của điện trường, electron và lỗ trống trôi dạt đến vùng N và vùng P tương ứng, và sự trôi dạt theo hướng của các hạt tải điện quang sinh ra dòng quang điện. Đây là nguyên lý cơ bản của bộ tách sóng quang mối nối PN.

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

(4)đầu dò quang APDđiốt quang thác lũ
Cơ chế củađiốt quang thác lũTương tự như cấu trúc của mối nối PN, bộ tách sóng quang APD sử dụng mối nối PN được pha tạp mạnh, điện áp hoạt động dựa trên phát hiện APD rất lớn, và khi thêm điện áp phân cực ngược lớn, hiện tượng ion hóa do va chạm và nhân thác sẽ xảy ra bên trong APD, làm tăng hiệu suất của bộ tách sóng quang. Khi APD hoạt động ở chế độ phân cực ngược, điện trường trong lớp suy giảm sẽ rất mạnh, và các hạt tải điện được tạo ra bởi ánh sáng sẽ nhanh chóng bị tách ra và trôi dạt nhanh chóng dưới tác dụng của điện trường. Có khả năng các electron sẽ va chạm với mạng tinh thể trong quá trình này, gây ra hiện tượng ion hóa các electron trong mạng tinh thể. Quá trình này được lặp lại, và các ion bị ion hóa trong mạng tinh thể cũng va chạm với mạng tinh thể, làm tăng số lượng hạt tải điện trong APD, dẫn đến dòng điện lớn. Chính cơ chế vật lý độc đáo này bên trong APD đã tạo nên đặc điểm của các bộ tách sóng dựa trên APD như tốc độ phản hồi nhanh, độ khuếch đại dòng điện lớn và độ nhạy cao. So với mối nối PN và mối nối PIN, APD có tốc độ phản hồi nhanh hơn, đây là tốc độ phản hồi nhanh nhất trong số các loại ống cảm quang hiện nay.

(5) Bộ tách sóng quang tiếp xúc Schottky
Cấu trúc cơ bản của bộ tách sóng quang tiếp xúc Schottky là một điốt Schottky, có đặc tính điện tương tự như tiếp xúc PN đã mô tả ở trên, và nó có tính dẫn điện một chiều với dẫn điện dương và ngắt ngược. Khi một kim loại có hàm công thoát cao và một chất bán dẫn có hàm công thoát thấp tiếp xúc với nhau, một rào cản Schottky được hình thành, và mối nối tạo thành là một tiếp xúc Schottky. Cơ chế chính tương tự như tiếp xúc PN, lấy chất bán dẫn loại N làm ví dụ, khi hai vật liệu tiếp xúc với nhau, 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, tạo 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 dụng của điện trường nội tại, và chuyển động khuếch tán và trôi dạt của các hạt tải điện sẽ được thực hiện đồng thời, sau một khoảng thời gian đạt đến trạng thái cân bằng động, và cuối cùng hình thành một tiếp xúc Schottky. Trong điều kiện có ánh sáng, vùng chắn hấp thụ trực tiếp ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, trong khi các hạt tải điện được tạo ra bởi ánh sáng bên trong mối nối PN cần phải đi qua vùng khuếch tán để đến vùng nối. So với mối nối PN, bộ tách sóng quang dựa trên mối nối Schottky có tốc độ phản hồi nhanh hơn, thậm chí có thể đạt đến mức nano giây.