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 электромагнитного излучения . [1] Существует большое разнообразие фотодетекторов, которые можно классифицировать по механизму обнаружения, например, по фотоэлектрическим или фотохимическим эффектам, или по различным показателям производительности, например, по спектральному отклику. Фотодетекторы на основе полупроводников обычно используют 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
Фотодетекторы можно классифицировать по механизму действия и конструкции устройства. Вот распространенные классификации:
По механизму действия
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 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 фотонное сопротивление [6] [7] детекторов или изменение 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
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 вместе используются различные методы, такие как манипулирование вертикальной структурой, травление, смена подложки и использование плазмоники. [8] Наилучшую эффективность демонстрируют 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 электронный ток 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
Существует ряд показателей производительности, также называемых показателями качества , по которым фотодетекторы характеризуются и сравниваются [2] [3]
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
По механизму действия фотоприемники включают в себя следующие устройства:
Фотоэмиссия или фотоэлектрический
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.
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.
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.
Инфракрасные детекторы HgCdTe . 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.
Фоторезисторы или светозависимые резисторы (LDR), сопротивление которых изменяется 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.
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 .
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.
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.
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]
^ Хоган, 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.
^ аб Донати, С. «Фотодетекторы» (PDF) . unipv.it . Прентис Холл . Проверено 1 июня 2016 г.
^ аб 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.
^ Аб 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. doi : 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 помощью технологии поверхности кремния». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 15 (25): 30443–30454. doi : 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 Департаментом ВВС. Полупроводники и полуметаллы, том. 12, Elsevier, стр. 291–393 , получено 11 мая 2023 г.
↑ Ху, Юэ (1 октября 2014 г.). «Моделирование источников нелинейности в простом штыревом фотодетекторе». 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. ISBN978-0-07-162935-5. 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 усилением PDA10A (-EC) Si» (PDF) . Торлабс . Проверено 24 апреля 2018 г.
^ «Технические данные 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 .
СМИ, связанные с оптическими датчиками, на Викискладе?
