Фотодетектор
этой статьи Начальный раздел может быть слишком коротким, чтобы адекватно суммировать ключевые моменты . ( январь 2020 г. ) |
Фотодетекторы , также называемые фотосенсорами , представляют собой датчики света . или другого излучения электромагнитного [1] Существует большое разнообразие фотодетекторов, которые можно классифицировать по механизму обнаружения, например фотоэлектрическим или фотохимическим эффектам, или по различным показателям производительности, например спектральному отклику. полупроводников Фотодетекторы на основе обычно используйте p-n-переход , который преобразует фотоны в заряд. Поглощенные фотоны образуют электрон-дырочные пары в области обеднения. Фотодиоды и фототранзисторы — вот несколько примеров фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую энергию.
Классификация
[ редактировать ]Фотодетекторы можно классифицировать по механизму действия и конструкции устройства. Вот распространенные классификации:
По механизму действия
[ редактировать ]Фотодетекторы можно классифицировать по механизму обнаружения: [2] [ ненадежный источник? ] [3] [4]
- Фотопроводящий эффект: эти детекторы работают, изменяя свою электропроводность под воздействием света. Падающий свет создает в материале электронно-дырочные пары, изменяя его проводимость. Фотопроводящие детекторы обычно изготавливаются из полупроводников. [5]
- Фотоэмиссия или фотоэлектрический эффект: Фотоны заставляют электроны переходить из зоны проводимости материала в свободные электроны в вакууме или газе.
- Тепловой: фотоны заставляют электроны переходить в состояния средней запрещенной зоны, а затем распадаться обратно на нижние зоны, вызывая генерацию фононов и, следовательно, нагрев.
- Поляризация : Фотоны вызывают изменения в состояниях поляризации подходящих материалов, что может привести к изменению показателя преломления или другим эффектам поляризации.
- Фотохимический: Фотоны вызывают химические изменения в материале.
- Эффекты слабого взаимодействия: фотоны вызывают вторичные эффекты, такие как сопротивление фотонов. [6] [7] детекторы или изменения давления газа в ячейках Голея .
Фотодетекторы могут использоваться в различных конфигурациях. Одиночные датчики могут определять общий уровень освещенности. Одномерная матрица фотодетекторов, например, в спектрофотометре или линейном сканере , может использоваться для измерения распределения света вдоль линии. Двумерная матрица фотодетекторов может использоваться в качестве датчика изображения для формирования изображений из светового потока перед ним.
Фотодетектор или матрица обычно закрыты осветительным окном, иногда имеющим просветляющее покрытие .
По конструкции устройства
[ редактировать ]По конструкции устройства фотодетекторы можно разделить на следующие категории:
- Фотодетектор МСМ: Фотодетектор металл-полупроводник-металл (МСМ) состоит из полупроводникового слоя, зажатого между двумя металлическими электродами. Металлические электроды имеют встречно-штыревую форму, образуя ряд чередующихся пальцев или решеток. Полупроводниковый слой обычно изготавливается из таких материалов, как кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) или селенид сурьмы (Sb 2 Se 3 ). [5] Для улучшения его характеристик совместно используются различные методы, такие как манипулирование вертикальной структурой, травление, смена подложки и использование плазмоники. [8] Наилучшую эффективность показывают фотодетекторы из селенида сурьмы.
- Фотодиоды: Фотодиоды являются наиболее распространенным типом фотодетекторов. Это полупроводниковые приборы с PN-переходом. Падающий свет генерирует пары электрон-дырка в обедненной области перехода, создавая фототок. Фотодиоды можно разделить на: а. PIN-фотодиоды: эти фотодиоды имеют дополнительную внутреннюю область (I) между областями P и N, которая расширяет область истощения и улучшает производительность устройства. б. Фотодиоды Шоттки. В фотодиодах Шоттки вместо PN-перехода используется переход металл-полупроводник. Они обеспечивают высокую скорость отклика и обычно используются в высокочастотных приложениях.
- Лавинные фотодиоды (ЛФД): ЛФД представляют собой специализированные фотодиоды, в которых реализовано лавинное умножение. У них есть область сильного электрического поля вблизи PN-перехода, которая вызывает ударную ионизацию и создает дополнительные электронно-дырочные пары. Это внутреннее усиление повышает чувствительность обнаружения. ЛФД широко используются в приложениях, требующих высокой чувствительности, таких как получение изображений при слабом освещении и оптическая связь на большие расстояния. [9]
- Фототранзисторы: Фототранзисторы представляют собой транзисторы со светочувствительной базовой областью. Падающий свет вызывает изменение тока базы, который управляет током коллектора транзистора. Фототранзисторы обеспечивают усиление и могут использоваться в приложениях, требующих как обнаружения, так и усиления сигнала.
- Устройства с зарядовой связью (ПЗС): ПЗС — это датчики изображения, состоящие из множества крошечных конденсаторов. Падающий свет генерирует заряд в конденсаторах, который последовательно считывается и обрабатывается для формирования изображения. ПЗС-матрицы обычно используются в цифровых камерах и приложениях для создания научных изображений.
- Датчики изображения CMOS (CIS): Датчики изображения CMOS основаны на дополнительной технологии металл-оксид-полупроводник (CMOS). Они объединяют фотодетекторы и схемы обработки сигналов на одном чипе. Датчики изображения CMOS завоевали популярность благодаря низкому энергопотреблению, высокой степени интеграции и совместимости со стандартными процессами производства CMOS.
- Фотоумножители (ФЭУ): ФЭУ представляют собой фотодетекторы на основе электронных ламп. Они состоят из фотокатода, который излучает электроны при освещении, а затем ряда динодов, которые умножают ток электронов за счет вторичной эмиссии. ФЭУ обладают высокой чувствительностью и используются в приложениях, требующих обнаружения при слабом освещении, таких как эксперименты по физике элементарных частиц и сцинтилляционные детекторы.
Это некоторые из распространенных фотодетекторов, основанных на структуре устройства. Каждый тип имеет свои характеристики, преимущества и применение в различных областях, включая визуализацию, связь, зондирование и научные исследования.
Характеристики
[ редактировать ]Существует ряд показателей производительности, также называемых показателями качества , по которым фотодетекторы характеризуются и сравниваются. [2] [3]
- Квантовая эффективность : количество носителей (электронов или дырок ), генерируемых на фотон.
- Чувствительность : выходной ток, разделенный на общую мощность света, попадающую на фотодетектор.
- Шумоэквивалентная мощность : количество энергии света, необходимое для генерации сигнала, сравнимого по размеру с шумом устройства.
- Детективность : квадратный корень из площади детектора, деленный на эквивалентную мощность шума.
- Усиление: Выходной ток фотодетектора, деленный на ток, непосредственно создаваемый фотонами, падающими на детекторы, т. е. встроенный коэффициент усиления по току .
- Темновой ток : Ток, текущий через фотодетектор даже в отсутствие света.
- Время отклика : время, необходимое фотодетектору для перехода от 10% до 90% конечного выходного сигнала.
- Спектр шума: собственное шумовое напряжение или ток как функция частоты. Это можно представить в виде спектральной плотности шума .
- Нелинейность: ВЧ-выход ограничен нелинейностью фотодетектора. [10]
- Спектральный отклик: отклик фотодетектора как функция частоты фотонов.
Подтипы
[ редактировать ]По механизму действия фотоприемники включают в себя следующие устройства:
Фотоэмиссия или фотоэлектрический
[ редактировать ]- Детекторы газовой ионизации используются в экспериментальной физике элементарных частиц для обнаружения фотонов и частиц с энергией, достаточной для ионизации атомов или молекул газа. Электроны и ионы, генерируемые в результате ионизации, вызывают ток, который можно измерить.
- Фотоумножительные трубки содержат фотокатод , который при освещении излучает электроны , которые затем усиливаются цепочкой динодов .
- Фототрубки, содержащие фотокатод , который при освещении испускает электроны , так что трубка проводит ток, пропорциональный интенсивности света .
- В микроканальных пластинчатых детекторах в качестве механизма умножения электронов используется подложка из пористого стекла. Их можно использовать в сочетании с фотокатодом, подобным описанному выше фотоумножителю, при этом подложка из пористого стекла действует как динодный каскад.
Полупроводник
[ редактировать ]- Датчики активных пикселей (APS) — это датчики изображения . APS, обычно изготавливаемые по комплементарной технологии металл-оксид-полупроводник (КМОП) и также известные как КМОП-датчики изображения, обычно используются в камерах мобильных телефонов, веб-камерах и некоторых зеркальных фотокамерах .
- Детекторы излучения на теллуриде кадмия-цинка могут работать в режиме прямого преобразования (или фотопроводимости) при комнатной температуре, в отличие от некоторых других материалов (особенно германия), которые требуют охлаждения жидким азотом. Их относительные преимущества включают высокую чувствительность к рентгеновским и гамма-излучениям из-за высоких атомных номеров Cd и Te и лучшее энергетическое разрешение, чем сцинтилляционные детекторы.
- Устройства с зарядовой связью (CCD) — это датчики изображения, которые используются для записи изображений в астрономии , цифровой фотографии и цифровой кинематографии . До 1990-х годов фотографические пластинки были наиболее распространены в астрономии. Следующее поколение астрономических инструментов, таких как Astro-E2 , включает криогенные детекторы . [ нужно обновить ]
- HgCdTe Инфракрасные детекторы . Обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон достаточной энергии выбрасывает электрон из валентной зоны в зону проводимости. Такой электрон собирается подходящей интегральной схемой внешнего считывания (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал.
- Светодиоды с обратным смещением действуют как фотодиоды. Рассматривайте светодиоды как фотодиодные датчики света .
- Фоторезисторы или светозависимые резисторы которых изменяется (LDR), сопротивление в зависимости от интенсивности света . Обычно сопротивление LDR уменьшается с увеличением интенсивности падающего на него света. [11]
- Фотодиоды , которые могут работать в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме. [12] [13] Фотодиоды часто комбинируются с малошумящей аналоговой электроникой для преобразования фототока в напряжение, которое можно оцифровать . [14] [15]
- Фототранзисторы , которые действуют как усиливающие фотодиоды.
- Штыревые фотодиоды — структура фотодетектора с малой задержкой , низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током , широко используемая в большинстве датчиков изображения CCD и CMOS. [16]
- на квантовых точках Фотопроводники или фотодиоды , которые могут работать с длинами волн в видимой и инфракрасной областях спектра.
- Полупроводниковые детекторы используются в гамма- и рентгеновской спектрометрии, а также в качестве детекторов частиц. [ нужна ссылка ]
- Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD) — это детекторы рентгеновского излучения, используемые в рентгеновской спектрометрии (EDS) и электронной микроскопии (EDX). [17]
Фотоэлектрический
[ редактировать ]- Фотоэлектрические элементы или солнечные элементы , которые вырабатывают напряжение и подают электрический ток , когда на них падает солнечный свет или определенные виды света.
Термальный
[ редактировать ]- Болометры измеряют мощность падающего электромагнитного излучения посредством нагрева материала, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Микроболометр — это особый тип болометра , используемый в качестве детектора в тепловизионной камере .
- Криогенные детекторы достаточно чувствительны для измерения энергии одиночных рентгеновских , видимых и инфракрасных фотонов . [18]
- Пироэлектрические детекторы обнаруживают фотоны посредством выделяемого ими тепла и последующего напряжения, генерируемого в пироэлектрических материалах.
- Термобатареи обнаруживают электромагнитное излучение посредством тепла, а затем генерируют напряжение в термопарах .
- Клетки Голея обнаруживают фотоны по теплу, которое они выделяют в газонаполненной камере, заставляя газ расширяться и деформировать гибкую мембрану, отклонение которой измеряется.
Фотохимический
[ редактировать ]- клетки сетчатки Фоторецепторные воспринимают свет посредством, например, родопсина . химического каскада, индуцированного фотонами
- Химические детекторы, такие как фотопластинки , в которых молекула галогенида серебра расщепляется на атом металлического серебра и атом галогена. Фотопроявитель заставляет соседние молекулы расщепляться аналогичным образом.
поляризация
[ редактировать ]- Фоторефрактивный эффект используется при хранении голографических данных .
- В поляризационно-чувствительных фотодетекторах используются оптически анизотропные материалы для обнаружения фотонов желаемой линейной поляризации . [19]
Графен/кремниевые фотодетекторы
[ редактировать ]Было продемонстрировано, что гетеропереход графен/кремний n-типа демонстрирует сильные выпрямляющие свойства и высокую фоточувствительность. Графен соединяется с кремниевыми квантовыми точками (КТ Si) поверх объемного кремния, образуя гибридный фотодетектор. КТ Si вызывают увеличение встроенного потенциала перехода графен/Si Шоттки при одновременном уменьшении оптического отражения фотодетектора. Как электрический, так и оптический вклад Si QD обеспечивают превосходные характеристики фотодетектора. [20]
См. также
[ редактировать ]- Система управления освещением
- Список датчиков
- Оптоэлектроника
- Фотоэлектрический датчик
- Светочувствительность
- Интегральная схема считывания
- Фотодетектор с резонансным резонатором
- Фотодетектирование
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хауган, HJ; Эльхамри, С.; Шмулович, Ф.; Ульрих, Б.; Браун, Дж.Дж.; Митчел, WC (2008). «Исследование остаточных фоновых носителей в сверхрешетках InAs/GaSb среднего инфракрасного диапазона для работы детектора без охлаждения». Письма по прикладной физике . 92 (7): 071102. Бибкод : 2008ApPhL..92g1102H . дои : 10.1063/1.2884264 . S2CID 39187771 .
- ^ Jump up to: а б Донати, С. «Фотодетекторы» (PDF) . unipv.it . Прентис Холл . Проверено 1 июня 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Йоттер, РА; Уилсон, DM (июнь 2003 г.). «Обзор фотодетекторов для обнаружения светоизлучающих репортеров в биологических системах». Журнал датчиков IEEE . 3 (3): 288–303. Бибкод : 2003ISenJ...3..288Y . дои : 10.1109/JSEN.2003.814651 .
- ^ Штёкманн, Ф. (май 1975 г.). «Фотодетекторы, их характеристики и ограничения». Прикладная физика . 7 (1): 1–5. Бибкод : 1975ApPhy...7....1S . дои : 10.1007/BF00900511 . S2CID 121425624 .
- ^ Jump up to: а б Сингх, Йогеш; Кумар, Манодж; Ядав, Рина; Кумар, Ашиш; Рани, Санджу; Шаши; Сингх, Притам; Хусале, Судхир; Сингх, ВН (15 августа 2022 г.). «Повышение фотопроводимости устройства Sb2Se3 на основе микростержней» . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 243 : 111765. doi : 10.1016/j.solmat.2022.111765 . ISSN 0927-0248 .
- ^ А. Гринберг, Анатолий; Лурой, Серж (1 июля 1988 г.). «Теория эффекта фотонного увлечения в двумерном электронном газе». Физический обзор B . 38 (1): 87–96. Бибкод : 1988PhRvB..38...87G . дои : 10.1103/PhysRevB.38.87 . ПМИД 9945167 .
- ^ Бишоп, П.; Гибсон, А.; Киммитт, М. (октябрь 1973 г.). «Работа детекторов фотонного сопротивления при высоких интенсивностях лазера». Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (10): 1007–1011. Бибкод : 1973IJQE....9.1007B . дои : 10.1109/JQE.1973.1077407 .
- ^ Сингх, Йогеш; Пармар, Рахул; Шривастава, Авритти; Ядав, Рина; Кумар, Капил; Рани, Санджу; Шаши; Шривастава, Санджай К.; Хусале, Судхир; Шарма, Махеш; Кушваха, Сунил Сингх; Сингх, Видья Нанд (16 июня 2023 г.). «Высокочувствительный фотодетектор Si/Sb 2 Se 3 ближнего инфракрасного диапазона с использованием технологии поверхностной обработки кремния» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 15 (25): 30443–30454. дои : 10.1021/acsami.3c04043 . ISSN 1944-8244 .
- ^ Стиллман, GE; Вулф, СМ (1977-01-01), Уиллардсон, РК; Бир, Альберт К. (ред.), Глава 5 «Лавинные фотодиоды»**Эта работа спонсировалась Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны и Министерством ВВС. , Полупроводники и полуметаллы, вып. 12, Elsevier, стр. 291–393 , получено 11 мая 2023 г.
- ^ Ху, Юэ (1 октября 2014 г.). «Моделирование источников нелинейности в простом штыревом фотоприемнике» . Журнал световых технологий . 32 (20): 3710–3720. Бибкод : 2014JLwT...32.3710H . CiteSeerX 10.1.1.670.2359 . дои : 10.1109/JLT.2014.2315740 . S2CID 9882873 .
- ^ «Схема фотодетектора» . oscience.info .
- ^ Пирсолл, Томас (2010). Основы фотоники, 2-е издание . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-162935-5 . Архивировано из оригинала 17 августа 2021 г. Проверено 24 февраля 2021 г.
- ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Энциклопедия лазерной физики и техники - фотоприемники, фотодиоды, фототранзисторы, пироэлектрические фотоприемники, матрицы, измерители мощности, шума» . www.rp-photonics.com . Проверено 31 мая 2016 г.
- ^ «Руководство пользователя усиленного детектора с фиксированным коэффициентом усиления PDA10A(-EC) Si» (PDF) . Торлабс . Проверено 24 апреля 2018 г.
- ^ «Техническое описание DPD80 760 нм» . Решенные инструменты . Проверено 24 апреля 2018 г.
- ^ Фоссум, скорая помощь; Хондонгва, Д.Б. (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS» . Журнал IEEE Общества электронных устройств . 2 (3): 33–43. дои : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
- ^ «Кремниевые дрейфовые детекторы» (PDF) . Tools.thermofisher.com . Термо Сайентифик.
- ^ Энсс, Кристиан, изд. (2005). Обнаружение криогенных частиц . Спрингер, Темы прикладной физики 99. ISBN. 978-3-540-20113-7 .
- ^ Юань, Хунтао, Афшинманеш, Ли, Вэй; Сюй, Цзе; Курто, Альберто Г.; Хикита, Ясуюки; Чэн, Сяньхуэй, Марк, Хван, Гарольд Ю., Цуй, И (1 июня 2015 г.). «Поляризационно-чувствительный широкополосный фотодетектор с вертикальным p-n-переходом из » фосфора черного . 707–713.arXiv 1409.4729 : . Бибкод : 2015NatNa..10..707Y . doi : nnano.2015.112 . 10.1038 /
- ^ Ю, Тинг; Ван, Фэн; Сюй, Ян; Ма, Линлинг; Пи, Сяодун; Ян, Дерен (2016). «Графен в сочетании с кремниевыми квантовыми точками для высокопроизводительных фотодетекторов на основе кремния с переходом Шоттки». Продвинутые материалы . 28 (24): 4912–4919. дои : 10.1002/adma.201506140 . ПМИД 27061073 . S2CID 205267070 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- СМИ, связанные с оптическими датчиками, на Викискладе?