ما هو الكاشف الضوئي؟

يقوم الكاشف الضوئي (PD) بتحويل المستلمةبصريالإشارات إلى إشارات كهربائية، وبذلك يكتمل تحويل الإشارة الضوئية-إلى-الإشارة الكهربائية. المتطلبات الأساسية لـ PD هي:

1) يمتلك استجابة عالية بما فيه الكفاية عند الطول الموجي التشغيلي للنظام، مما يعني أنه يمكنه إخراج أكبر تيار ضوئي ممكن لطاقة ضوئية معينة.

2) يتمتع بسرعة استجابة سريعة بما فيه الكفاية، ومناسبة للأنظمة ذات السرعة العالية- أو أنظمة النطاق العريض.

3) يتمتع بأقل ضوضاء ممكنة لتقليل تأثير الجهاز على الإشارة.

4) إنها تتميز بالحجم الصغير وعمر التشغيل الطويل.

يوجد حاليًا نوعان من أجهزة الكشف الضوئي لأشباه الموصلات شائعة الاستخدام: الثنائيات الضوئية PIN (PIN-PDs) والثنائيات الضوئية الانهيارية (APDs). يقدم هذا القسم بشكل أساسي المبادئ ومؤشرات الأداء ونوعين شائعين من أجهزة الكشف الضوئي.

مبدأ أجهزة الكشف الضوئي

◇رقم التعريف الشخصي الضوئي

تستخدم أجهزة الكشف الضوئية التأثير الكهروضوئي للمواد شبه الموصلة لتحقيق التحويل الكهروضوئي. يظهر التأثير الكهروضوئي للمواد شبه الموصلة في الشكل أدناه.

عندما تكون الطاقة hv للفوتون الساقط أقل من فجوة النطاق E، فلن يحدث التأثير الكهروضوئي بغض النظر عن شدة الضوء الساقط. أي أنه يجب توافر الشرط التالي لكي يحدث التأثير الكهروضوئي:

بمعنى آخر، الضوء الساقط ذو التردد v

إلى جانب وجود طول موجي مقطوع، تنخفض كفاءة تحويل الثنائي الضوئي عندما يكون الطول الموجي للضوء الساقط قصيرًا جدًا. في الثنائي الضوئي، يتم امتصاص الفوتونات الساقطة، مما يؤدي إلى توليد أزواج من الإلكترونات-. عندما تكون المسافة x=0، تكون الطاقة الضوئية P(0). وبعد مسافة x فإن الطاقة الضوئية الممتصة هي:

في الصيغة، (×) هو معامل الامتصاص للمادة، وهو دالة للطول الموجي.

عندما يكون الطول الموجي للضوء الساقط قصيرًا جدًا، يكون معامل امتصاص المادة كبيرًا جدًا. ونتيجة لذلك، يتم امتصاص عدد كبير من الفوتونات على سطح الثنائي الضوئي، مما يؤدي إلى إنشاء منطقة مجال -كهربائية- صفر. يجب أن تنتشر أزواج الثقوب الإلكترونية - المتولدة هنا أولاً إلى الطبقة المستنفدة قبل أن يتم تجميعها بواسطة الدائرة الخارجية. ومع ذلك، في هذه المنطقة، تتمتع حاملات الأقليات بعمر قصير جدًا وتنتشر ببطء شديد، وغالبًا ما تتجمع من جديد قبل جمعها. وهذا يقلل من كفاءة الكاشف الضوئي. ولذلك، فإن الثنائيات الضوئية المصنوعة من مواد معينة لها نطاق استجابة محدد للطول الموجي. على سبيل المثال، يتراوح نطاق استجابة الطول الموجي للثنائيات الضوئية Si من 0.5 إلى 10 ميكرومتر، بينما يتراوح نطاق الاستجابة للثنائيات الضوئية InGaAs من 1.1 إلى 1.6 ميكرومتر.

خصائص أجهزة الكشف الضوئي

الكفاءة الكمية

يحتوي الضوء الساقط (القدرة P) على عدد كبير من الفوتونات. تسمى نسبة عدد الفوتونات التي يمكن تحويلها إلى تيار ضوئي إلى إجمالي عدد الفوتونات الساقطة بالكفاءة الكمية، والتي يتم حسابها بالصيغة التالية:

في الصيغة، شحنة الإلكترون هي=1.6 × 10⁻¹ درجة ؛ أنا هو التيار الضوئي المتولد. ح هو ثابت بلانك. وv هو تردد الفوتون. وتتراوح الكفاءة الكمية من 50% إلى 90%.

إذا كانت انعكاسية السطح الساقط هي r، وأزواج ثقب الإلكترون -المولدة في الطبقة السطحية للمجال -الكهربائي- الصفرية لا يمكن تحويلها بشكل فعال إلى تيار ضوئي، وكانت طاقة الضوء الساقط هي P(0)، فإن التيار الكهروضوئي هو:

في الصيغة، هو معامل الامتصاص لمنطقة الحقل صفر- وطبقة الاستنفاد، وهو سمك منطقة الحقل صفر-، وهو عرض طبقة الاستنفاد. الكفاءة إذن هي:

الاستجابة

تسمى نسبة التيار الكهروضوئي إلى قوة الضوء الساقطة في الكاشف الضوئي بالاستجابة (تقاس بـ A/W).

تشير هذه الخاصية إلى كفاءة الكاشف الضوئي في تحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية. تتراوح القيم النموذجية لـ R من 0.5 إلى 1.0 A/W. على سبيل المثال، قيمة R للكاشف الضوئي Si هي 0.65 A/W عند طول موجة 900 نانومتر؛ قيمة R للكاشف الضوئي Ge هي 0.45 A/W (عند 1300 نانومتر)؛ واستجابة InGaAs هي 0.9 A/W عند 1300 نانومتر و1.0 A/W عند 1550 نانومتر.

بالنسبة لطول موجي معين، تكون الاستجابة ثابتة، ولكنها ليست ثابتة عند النظر في نطاق كبير من الطول الموجي. مع زيادة الطول الموجي للضوء الساقط، تنخفض طاقة الفوتونات الساقطة، وعندما تكون أقل من فجوة النطاق، تنخفض الاستجابة بسرعة عند الطول الموجي المقطوع.

طيف الاستجابة

من أجل توليد الموجات الحاملة المولدة ضوئيًا، يجب أن تكون طاقة الفوتون الساقط أكبر من فجوة نطاق مادة الكاشف الضوئي. ويمكن التعبير عن هذا الشرط على النحو التالي:

في الصيغة، α هو الطول الموجي المقطوع.

بمعنى آخر، بالنسبة لمادة معينة للكشف عن أشباه الموصلات، يمكن اكتشاف الضوء فقط ذو الأطوال الموجية الأقصر من الطول الموجي المقطوع، وتختلف الكفاءة الكمية للكاشف باختلاف الطول الموجي؛ وتسمى هذه الخاصية طيف الاستجابة. ولذلك، فإن أجهزة الكشف الضوئي ليست عالمية، وتختلف أطياف الاستجابة للمواد المختلفة. تشتمل مواد أشباه الموصلات الكهروضوئية شائعة الاستخدام على Si وGe وInGaAs وInGaAsP وGaAsP، ويظهر أطياف استجابتها في الشكل x.

وقت الاستجابة

عادةً ما يتم التعبير عن المعدل الذي يتبعه التيار الكهروضوئي الناتج عن الثنائي الضوئي لإشارة الضوء الساقطة في وقت الاستجابة. وقت الاستجابة هو معلمة تعكس قدرة الكاشف الضوئي على الاستجابة للإشارات الضوئية المعدلة ذات السرعة العابرة أو العالية-. ويتأثر بشكل رئيسي بالعوامل الثلاثة التالية:
1) زمن عبور الناقلات الضوئية في منطقة النضوب.

2) وقت انتشار ناقلات الصور المتولدة خارج منطقة النضوب.

3) الثابت الزمني RC للثنائي الضوئي والدوائر المرتبطة به.

يمكن التعبير عن وقت الاستجابة على أنه وقت الصعود ووقت الهبوط لنبض خرج الكاشف الضوئي. عندما تكون سعة الوصلة للثنائي الضوئي صغيرة نسبيًا، يكون وقت الصعود ووقت الهبوط قصيرًا ومتسقًا نسبيًا؛ عندما تكون سعة الوصلة للثنائي الضوئي كبيرة نسبيًا، يكون وقت الاستجابة محدودًا بثابت وقت RC الذي يتكون من مقاومة الحمل وسعة الوصلة، مما يؤدي إلى أوقات صعود وهبوط أطول.

بشكل عام، توفر المواصفات الفنية للكاشفات الضوئية وقت الصعود. بالنسبة للثنائيات الضوئية PIN، وقت الصعود t₀عادة<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.

تيار مظلم

يشير التيار المظلم إلى التيار الموجود في الكاشف الضوئي عندما لا يكون هناك ضوء ساقط. على الرغم من عدم وجود ضوء ساقط، عند درجة حرارة معينة، يمكن للطاقة الحرارية الخارجية توليد بعض الشحنات الحرة في منطقة النضوب. تتدفق هذه الشحنات تحت تأثير جهد انحياز عكسي، لتشكل تيارًا مظلمًا. من الواضح أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد عدد الإلكترونات التي تثيرها درجة الحرارة، وزاد التيار المظلم. بالنسبة للثنائي الضوئي PIN، دع التيار المظلم عند درجة الحرارة T يكون I(T). عندما ترتفع درجة الحرارة إلى T فإن:

في الصيغة، C هو ثابت تجريبي، وC=8 للثنائي الضوئي Si.

يحدد التيار المظلم في النهاية الحد الأدنى من الطاقة الضوئية التي يمكن اكتشافها، وهي حساسية الصمام الثنائي الضوئي.

اعتمادًا على مادة أشباه الموصلات المستخدمة، يتراوح التيار المظلم بين 0.1 و500 نانو أمبير.