फोटोडिटेक्टर उपकरण संरचना का प्रकार

के प्रकारफोटोडिटेक्टर उपकरणसंरचना
फोटोडिटेक्टरऑप्टिकल सिग्नल को इलेक्ट्रिकल सिग्नल में परिवर्तित करने वाला उपकरण, इसकी संरचना और विविधता को मुख्य रूप से निम्नलिखित श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है:
(1) फोटोकंडक्टिव फोटोडिटेक्टर
जब प्रकाश-चालक उपकरणों को प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है, तो प्रकाश द्वारा उत्पन्न वाहक उनकी चालकता बढ़ाते हैं और प्रतिरोध घटाते हैं। कमरे के तापमान पर उत्तेजित वाहक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में एक दिशात्मक ढंग से गति करते हैं, जिससे धारा उत्पन्न होती है। प्रकाश की उपस्थिति में, इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होते हैं और संक्रमण होता है। साथ ही, वे विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में प्रवाहित होकर प्रकाश धारा उत्पन्न करते हैं। परिणामस्वरूप उत्पन्न प्रकाश वाहक उपकरण की चालकता बढ़ाते हैं और इस प्रकार प्रतिरोध घटाते हैं। प्रकाश-चालक फोटोडिटेक्टर आमतौर पर उच्च लाभ और उत्कृष्ट प्रतिक्रियाशीलता प्रदर्शित करते हैं, लेकिन वे उच्च-आवृत्ति वाले प्रकाशीय संकेतों पर प्रतिक्रिया नहीं कर सकते हैं, इसलिए प्रतिक्रिया की गति धीमी होती है, जो कुछ पहलुओं में प्रकाश-चालक उपकरणों के अनुप्रयोग को सीमित करती है।

(2)पीएन फोटोडिटेक्टर
पीएन फोटोडिटेक्टर का निर्माण पी-टाइप सेमीकंडक्टर और एन-टाइप सेमीकंडक्टर के बीच संपर्क से होता है। संपर्क बनने से पहले, दोनों पदार्थ अलग-अलग अवस्था में होते हैं। पी-टाइप सेमीकंडक्टर में फर्मी स्तर वैलेंस बैंड के किनारे के पास होता है, जबकि एन-टाइप सेमीकंडक्टर में फर्मी स्तर कंडक्शन बैंड के किनारे के पास होता है। साथ ही, कंडक्शन बैंड के किनारे पर स्थित एन-टाइप पदार्थ का फर्मी स्तर लगातार नीचे की ओर खिसकता है जब तक कि दोनों पदार्थों का फर्मी स्तर एक ही स्थान पर न आ जाए। कंडक्शन बैंड और वैलेंस बैंड की स्थिति में परिवर्तन के साथ-साथ बैंड का झुकाव भी होता है। पीएन जंक्शन संतुलन में होता है और इसका फर्मी स्तर एकसमान होता है। आवेश वाहक विश्लेषण के दृष्टिकोण से, पी-टाइप पदार्थों में अधिकांश आवेश वाहक होल होते हैं, जबकि एन-टाइप पदार्थों में अधिकांश आवेश वाहक इलेक्ट्रॉन होते हैं। जब दो पदार्थ संपर्क में आते हैं, तो वाहक सांद्रता में अंतर के कारण, N-प्रकार के पदार्थों में इलेक्ट्रॉन P-प्रकार के पदार्थों की ओर विसरित होते हैं, जबकि N-प्रकार के पदार्थों में इलेक्ट्रॉन छिद्रों की विपरीत दिशा में विसरित होते हैं। इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के विसरण से बचा हुआ असंतुलित क्षेत्र एक अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र बनाता है, और यह अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र वाहक बहाव को प्रवृत्त करता है, और बहाव की दिशा विसरण की दिशा के ठीक विपरीत होती है, जिसका अर्थ है कि अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र वाहकों के विसरण को रोकता है, और PN जंक्शन के भीतर विसरण और बहाव दोनों तब तक होते रहते हैं जब तक कि दोनों प्रकार की गति संतुलित नहीं हो जाती, जिससे स्थिर वाहक प्रवाह शून्य हो जाता है। आंतरिक गतिशील संतुलन बना रहता है।
जब पीएन जंक्शन प्रकाश विकिरण के संपर्क में आता है, तो फोटॉन की ऊर्जा वाहक को स्थानांतरित हो जाती है, और प्रकाश-जनित वाहक, यानी प्रकाश-जनित इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न होता है। विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में, इलेक्ट्रॉन और होल क्रमशः एन क्षेत्र और पी क्षेत्र की ओर प्रवाहित होते हैं, और प्रकाश-जनित वाहक के इस दिशात्मक प्रवाह से फोटोकरंट उत्पन्न होता है। यही पीएन जंक्शन फोटोडिटेक्टर का मूल सिद्धांत है।

(3)पिन फोटोडिटेक्टर
पिन फोटोडायोड में I परत के बीच P-प्रकार और N-प्रकार की सामग्री होती है। I परत आमतौर पर एक इंट्रिंसिक या कम डोपिंग वाली सामग्री होती है। इसकी कार्य प्रक्रिया PN जंक्शन के समान है। जब पिन जंक्शन प्रकाश विकिरण के संपर्क में आता है, तो फोटॉन इलेक्ट्रॉन को ऊर्जा स्थानांतरित करता है, जिससे फोटोजेनरेटेड चार्ज कैरियर उत्पन्न होते हैं। आंतरिक या बाह्य विद्युत क्षेत्र, फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों को डिप्लेशन परत में अलग कर देता है, और ये ड्रिफ्टेड चार्ज कैरियर बाह्य परिपथ में एक धारा उत्पन्न करते हैं। I परत की भूमिका डिप्लेशन परत की चौड़ाई को बढ़ाना है, और उच्च बायस वोल्टेज के तहत I परत पूरी तरह से डिप्लेशन परत बन जाती है, जिससे उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल युग्म तेजी से अलग हो जाते हैं। इस प्रकार, पिन जंक्शन फोटोडिटेक्टर की प्रतिक्रिया गति आमतौर पर PN जंक्शन डिटेक्टर की तुलना में तेज होती है। I परत के बाहर के कैरियर भी विसरण गति के माध्यम से डिप्लेशन परत द्वारा एकत्रित हो जाते हैं, जिससे एक विसरण धारा उत्पन्न होती है। I परत की मोटाई आमतौर पर बहुत पतली होती है, और इसका उद्देश्य डिटेक्टर की प्रतिक्रिया गति को बेहतर बनाना है।

(4)एपीडी फोटोडिटेक्टरहिमस्खलन फोटोडायोड
तंत्रहिमस्खलन फोटोडायोडयह पीएन जंक्शन के समान है। एपीडी फोटोडिटेक्टर में अत्यधिक डोप्ड पीएन जंक्शन का उपयोग किया जाता है, एपीडी डिटेक्शन पर आधारित ऑपरेटिंग वोल्टेज अधिक होता है, और जब एक बड़ा रिवर्स बायस लगाया जाता है, तो एपीडी के भीतर टक्कर आयनीकरण और हिमस्खलन गुणन होता है, जिससे डिटेक्टर का प्रदर्शन और फोटोकरंट बढ़ जाता है। जब एपीडी रिवर्स बायस मोड में होता है, तो डिप्लेशन परत में विद्युत क्षेत्र बहुत मजबूत होता है, और प्रकाश द्वारा उत्पन्न फोटोजेनरेटेड वाहक विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत तेजी से अलग होकर तेजी से प्रवाहित होते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रॉनों के जाली से टकराने की संभावना होती है, जिससे जाली में इलेक्ट्रॉन आयनित हो जाते हैं। यह प्रक्रिया दोहराई जाती है, और जाली में आयनित आयन भी जाली से टकराते हैं, जिससे एपीडी में आवेश वाहकों की संख्या बढ़ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप एक बड़ा करंट उत्पन्न होता है। एपीडी के भीतर यही अद्वितीय भौतिक तंत्र है जिसके कारण एपीडी-आधारित डिटेक्टरों में आमतौर पर तीव्र प्रतिक्रिया गति, उच्च करंट मान लाभ और उच्च संवेदनशीलता की विशेषताएं होती हैं। पीएन जंक्शन और पिन जंक्शन की तुलना में, एपीडी की प्रतिक्रिया गति तेज होती है, जो वर्तमान फोटोसेंसिटिव ट्यूबों में सबसे तेज प्रतिक्रिया गति है।

(5) शॉटकी जंक्शन फोटोडिटेक्टर
शॉटकी जंक्शन फोटोडिटेक्टर की मूल संरचना एक शॉटकी डायोड है, जिसके विद्युत गुण ऊपर वर्णित पीएन जंक्शन के समान हैं, और इसमें धनात्मक चालन और विपरीत कट-ऑफ के साथ एकदिशीय चालकता होती है। जब उच्च कार्य फलन वाली धातु और निम्न कार्य फलन वाली अर्धचालक संपर्क में आती हैं, तो एक शॉटकी अवरोध बनता है, और परिणामस्वरूप बनने वाला जंक्शन शॉटकी जंक्शन कहलाता है। मुख्य क्रियाविधि कुछ हद तक पीएन जंक्शन के समान है। एन-प्रकार के अर्धचालकों का उदाहरण लेते हुए, जब दो पदार्थ संपर्क में आते हैं, तो दोनों पदार्थों की भिन्न-भिन्न इलेक्ट्रॉन सांद्रता के कारण, अर्धचालक में मौजूद इलेक्ट्रॉन धातु की ओर विसरित हो जाते हैं। विसरित इलेक्ट्रॉन धातु के एक सिरे पर लगातार जमा होते रहते हैं, जिससे धातु की मूल विद्युत तटस्थता नष्ट हो जाती है और संपर्क सतह पर अर्धचालक से धातु तक एक अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र बनता है। इलेक्ट्रॉन इस आंतरिक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में प्रवाहित होते हैं और वाहक की विसरण एवं प्रवाह गति एक साथ चलती रहती है। कुछ समय बाद गतिशील संतुलन स्थापित हो जाता है और अंततः एक शॉट्की जंक्शन बनता है। प्रकाश की स्थिति में, अवरोध क्षेत्र सीधे प्रकाश को अवशोषित करता है और इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म उत्पन्न करता है, जबकि पीएन जंक्शन के भीतर उत्पन्न प्रकाश वाहकों को जंक्शन क्षेत्र तक पहुंचने के लिए विसरण क्षेत्र से गुजरना पड़ता है। पीएन जंक्शन की तुलना में, शॉट्की जंक्शन पर आधारित फोटोडिटेक्टर की प्रतिक्रिया गति तेज होती है और यह गति नैनोसेकंड (ns) तक भी पहुंच सकती है।