Jump to content

Фотодетектор

Фотодетектор, извлеченный из привода компакт-дисков . Фотодетектор содержит три фотодиода , которые видны на фотографии (в центре).

Фотодетекторы , также называемые фотосенсорами , представляют собой датчики света . или другого излучения электромагнитного [ 1 ] Существует множество 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 поглощаемой световой энергии в электрическую энергию.

Классификация

[ редактировать ]

Фотодетекторы можно классифицировать по механизму действия и конструкции устройства. Вот распространенные классификации:

По механизму действия

[ редактировать ]
Коммерческий фотодетектор с усилением для использования в оптических исследованиях.

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 состоянии 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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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 ]
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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 возможности применения 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, разделенный 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.

По механизму действия фотоприемники включают в себя следующие устройства:

Фотоэмиссия или фотоэлектрический

[ редактировать ]

Полупроводник

[ редактировать ]

Фотоэлектрический

[ редактировать ]

Термальный

[ редактировать ]

Фотохимический

[ редактировать ]

поляризация

[ редактировать ]

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ Перейти обратно: а б Донати, С. «Фотодетекторы» (PDF) . unipv.it . Прентис Холл . Проверено 1 июня 2016 г.
  3. ^ Перейти обратно: 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ Перейти обратно: 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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.
  10. ^ 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 .
  11. ^ «Схема фотодетектора» . oscience.info .
  12. ^ 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.
  13. ^ 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.
  14. ^ «Руководство пользователя усиленного детектора с фиксированным коэффициентом усиления PDA10A(-EC) Si» (PDF) . Торлабс . Проверено 24 апреля 2018 г.
  15. ^ «Техническое описание DPD80 760 нм» . Решенные инструменты . Проверено 24 апреля 2018 г.
  16. ^ 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 .
  17. ^ «Кремниевые дрейфовые детекторы» (PDF) . Tools.thermofisher.com . Термо Сайентифик.
  18. ^ Энсс, Кристиан, изд. (2005). Обнаружение криогенных частиц . Спрингер, Темы прикладной физики 99. ISBN.  978-3-540-20113-7 .
  19. ^ Юань, Хунтао, Афшинманеш, Ли, Вэй; Сюй, Сунь, Цзе; Курто, Альберто Г.; Хикита, Ясуюки; Ченг, 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   /
  20. ^ 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 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e67bc4b28414c5824dc9a8796a94ea8c__1720782540
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e6/8c/e67bc4b28414c5824dc9a8796a94ea8c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Photodetector - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)