Фотодетектор, извлеченный из привода CD-ROM . Фотодетектор содержит три фотодиода , которые видны на фотографии (в центре).
Фотодетекторы , также называемые фотодатчиками , являются датчиками света или другого электромагнитного излучения . [1] Существует большое разнообразие фотодетекторов, которые можно классифицировать по механизму обнаружения, например, фотоэлектрические или фотохимические эффекты, или по различным показателям производительности, например, спектральному отклику. Фотодетекторы на основе полупроводников обычно используют p–n-переход , который преобразует фотоны в заряд. Поглощенные фотоны создают пары электрон-дырка в обедненной области. Фотодиоды и фототранзисторы являются несколькими примерами фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую энергию.
Классификация
Фотодетекторы можно классифицировать по принципу действия и устройству. Вот общие классификации:
На основе механизма 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 генерирует пары электрон-дырка в материале, 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.
Тепловое: фотоны заставляют электроны переходить в состояния средней запрещенной зоны, а затем возвращаются в нижние зоны, вызывая генерацию фононов и, следовательно, выделение тепла.
Поляризация : Фотоны вызывают изменения в состояниях поляризации соответствующих 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 в детекторах фотонного увлечения [6] [7] или изменения давления газа в ячейках Голея .
Фотодетекторы могут использоваться в различных конфигурациях. Отдельные датчики могут определять общие уровни освещенности. Одномерная матрица фотодетекторов, как 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 рисунка света перед ним.
Фотодетектор или матрица обычно закрываются окном подсветки, иногда имеющим антибликовое покрытие .
На основе структуры устройства
По структуре устройства фотоприемники можно разделить на следующие категории:
Фотодетектор MSM: Фотодетектор металл-полупроводник-металл (MSM) состоит из полупроводникового слоя, зажатого между двумя металлическими электродами. Металлические электроды переплетены, образуя ряд чередующихся пальцев или сеток. Полупроводниковый слой обычно изготавливается из таких материалов, как кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) или селенид сурьмы (Sb2Se3 ) . [ 5 ] Различные методы используются вместе для улучшения его характеристик, таких как манипулирование вертикальной структурой, травление, смена подложки и использование плазмоники. [8] Наилучшую достижимую эффективность демонстрируют фотодетекторы на основе 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 далее разделить на: a. PIN-фотодиоды: Эти фотодиоды имеют дополнительную собственную (I) область между P- и N-областями, которая расширяет обедненную область и улучшает производительность устройства. b. Фотодиоды Шоттки: В фотодиодах Шоттки вместо PN-перехода используется переход металл-полупроводник. Они обеспечивают высокоскоростной отклик и обычно используются в высокочастотных приложениях.
Лавинные фотодиоды (APD): APD — это специализированные фотодиоды, включающие лавинное умножение. Они имеют область высокого электрического поля вблизи PN-перехода, что вызывает ударную ионизацию и производит дополнительные пары электрон-дырка. Это внутреннее усиление повышает чувствительность обнаружения. APD широко используются в приложениях, требующих высокой чувствительности, таких как получение изображений при слабом освещении и оптическая связь на большие расстояния. [9]
Фототранзисторы: Фототранзисторы — это 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.
Приборы с зарядовой связью (ПЗС): ПЗС — это датчики изображения, состоящие из массива крошечных конденсаторов. Падающий свет генерирует заряд в конденсаторах, который последовательно считывается и обрабатывается для формирования изображения. ПЗС обычно используются в цифровых камерах и научных приложениях для визуализации.
Датчики изображения CMOS (CIS): Датчики изображения CMOS основаны на технологии комплементарного металл-оксид-полупроводник (CMOS). Они объединяют фотодетекторы и схемы обработки сигнала на одном кристалле. Датчики изображения CMOS приобрели популярность благодаря низкому энергопотреблению, высокой интеграции и совместимости со стандартными процессами изготовления CMOS.
Фотоумножительные трубки (ФЭУ): ФЭУ — это фотодетекторы на основе вакуумных трубок. Они состоят из фотокатода, который испускает электроны при освещении, за которым следует ряд динодов, которые умножают электронный ток посредством 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 на основе структуры устройства. Каждый тип имеет свои собственные характеристики, преимущества и приложения 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]
Коэффициент усиления: выходной ток фотодетектора, деленный на ток, непосредственно создаваемый фотонами, падающими на детекторы, т. е. встроенный коэффициент усиления по току .
Темновой ток : ток, протекающий через фотодетектор даже при отсутствии света.
Время отклика : время, необходимое фотодетектору для перехода от 10% до 90% конечного выходного сигнала.
Спектр шума: Напряжение или ток собственного шума как функция частоты. Это может быть представлено в виде спектральной плотности шума .
Нелинейность: выходной радиочастотный сигнал ограничен нелинейностью фотодетектора [10]
Спектральный отклик: отклик фотодетектора как функция частоты фотона.
Подтипы
По принципу действия фотоприемники подразделяются на следующие устройства:
Фотоэмиссия или фотоэлектрический
Газовые ионизационные детекторы используются в экспериментальной физике частиц для обнаружения фотонов и частиц с достаточной энергией для ионизации атомов или молекул газа. Электроны и ионы, генерируемые ионизацией, вызывают ток, который можно измерить.
Микроканальные пластинчатые детекторы используют пористую стеклянную подложку в качестве механизма для умножения электронов. Они могут использоваться в сочетании с фотокатодом, таким как фотоумножитель, описанный выше, при этом пористая стеклянная подложка действует как динодный каскад
Детекторы излучения на основе теллурида цинка и кадмия могут работать в режиме прямого преобразования (или фотопроводимости) при комнатной температуре, в отличие от некоторых других материалов (в частности, германия), которым требуется охлаждение жидким азотом. Их относительные преимущества включают высокую чувствительность к рентгеновским и гамма-лучам из-за высоких атомных чисел Cd и Te и лучшее энергетическое разрешение, чем у сцинтилляционных детекторов.
Инфракрасные детекторы HgCdTe . Обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон достаточной энергии выталкивает электрон из валентной зоны в зону проводимости. Такой электрон собирается подходящей внешней считывающей интегральной схемой (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал.
Фоторезисторы или светозависимые резисторы (LDR), которые изменяют сопротивление в зависимости от интенсивности света . Обычно сопротивление LDR уменьшается с увеличением интенсивности падающего на него света. [11]
Фотодиоды , которые могут работать в фотогальваническом 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 с зависящим от температуры электрическим сопротивлением. Микроболометр — это особый тип болометра, используемый в качестве детектора в тепловизионной камере .
Пироэлектрические детекторы обнаруживают фотоны по выделяемому ими теплу и последующему напряжению, генерируемому в пироэлектрических материалах.
Термобатареи обнаруживают электромагнитное излучение посредством тепла, а затем генерируют напряжение в термопарах .
Клетки Голея обнаруживают фотоны по теплу, которое они генерируют в заполненной газом камере, заставляя газ расширяться и деформировать гибкую мембрану, прогиб которой измеряется.
Фотохимический
Фоторецепторные клетки сетчатки воспринимают свет, например, посредством химического каскада, вызванного фотонами родопсина .
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 показано, что гетеропереход графен/кремний n-типа демонстрирует сильное выпрямляющее поведение и высокую фоточувствительность. Графен соединен с кремниевыми квантовыми точками (Si QD) поверх объемного Si для формирования гибридного фотодетектора. Si QD вызывают увеличение встроенного потенциала перехода Шоттки графен/Si, одновременно уменьшая оптическое отражение фотодетектора. Как электрический, так и оптический вклад Si QD обеспечивают превосходную производительность фотодетектора. [20]
^ Хауган, Х. Дж.; Элхамри, С.; Шмулович, Ф.; Ульрих, Б.; Браун, Г. Дж.; Митчел, В. К. (2008). «Исследование остаточных фоновых носителей в сверхрешетках InAs/GaSb среднего инфракрасного диапазона для работы неохлаждаемого детектора». Applied Physics Letters . 92 (7): 071102. Bibcode :2008ApPhL..92g1102H. doi :10.1063/1.2884264. S2CID 39187771.
^ ab Donati, S. "Photodetectors" (PDF) . unipv.it . Prentice Hall . Получено 1 июня 2016 г. .
^ ab Yotter, RA; Wilson, DM (июнь 2003 г.). «Обзор фотодетекторов для обнаружения светоизлучающих репортеров в биологических системах». IEEE Sensors Journal . 3 (3): 288–303. Bibcode : 2003ISenJ...3..288Y. doi : 10.1109/JSEN.2003.814651.
^ Штокманн, Ф. (май 1975 г.). «Фотодетекторы, их производительность и их ограничения». Прикладная физика . 7 (1): 1–5. Bibcode :1975ApPhy...7....1S. doi :10.1007/BF00900511. S2CID 121425624.
^ ab Singh, Yogesh; Kumar, Manoj; Yadav, Reena; Kumar, Ashish; Rani, Sanju; Shashi; Singh, Preetam; Husale, Sudhir; Singh, VN (2022-08-15). "Улучшенные характеристики фотопроводимости микростержневого устройства Sb2Se3". Материалы и солнечные элементы для солнечной энергетики . 243 : 111765. doi : 10.1016/j.solmat.2022.111765. ISSN 0927-0248.
^ А. Гринберг, Анатолий; Лурий, Сергей (1 июля 1988 г.). «Теория эффекта увлечения фотонов в двумерном электронном газе». Physical Review B. 38 ( 1): 87–96. Bibcode : 1988PhRvB..38...87G. doi : 10.1103/PhysRevB.38.87. PMID 9945167.
^ Бишоп, П.; Гибсон, А.; Киммитт, М. (октябрь 1973 г.). «Характеристики детекторов фотонного увлечения при высокой интенсивности лазера». Журнал квантовой электроники IEEE . 9 (10): 1007–1011. Bibcode : 1973IJQE....9.1007B. doi : 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. doi : 10.1021/acsami.3c04043. ISSN 1944-8244.
^ Стиллман, GE; Вольф, CM (1977-01-01), Уиллардсон, RK; Бир, Альберт К. (ред.), Глава 5 Лавинные фотодиоды**Эта работа была спонсирована Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны и Департаментом ВВС., Полупроводники и полуметаллы, т. 12, Elsevier, стр. 291–393 , получено 11 мая 2023 г.
^ Ху, Юэ (1 октября 2014 г.). «Моделирование источников нелинейности в простом штыревом фотодетекторе». Журнал Lightwave Technology . 32 (20): 3710–3720. Bibcode : 2014JLwT...32.3710H. CiteSeerX 10.1.1.670.2359 . doi : 10.1109/JLT.2014.2315740. S2CID 9882873.
^ "Схема фотодетектора". oscience.info .
^ Пирсолл, Томас (2010). Основы фотоники, 2-е издание. McGraw-Hill. ISBN978-0-07-162935-5. Архивировано из оригинала 2021-08-17 . Получено 2021-02-24 .
^ Пашотта, д-р Рюдигер. "Энциклопедия лазерной физики и технологий - фотодетекторы, фотодиоды, фототранзисторы, пироэлектрические фотодетекторы, матрица, измеритель мощности, шум". www.rp-photonics.com . Получено 31.05.2016 .
^ "Руководство пользователя детектора усиления с фиксированным коэффициентом усиления PDA10A(-EC) Si" (PDF) . Thorlabs . Получено 24 апреля 2018 г. .
^ "DPD80 760nm Datasheet". Resolved Instruments . Получено 24 апреля 2018 г.
^ Fossum, ER; Hondongwa, DB (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS». Журнал IEEE Общества электронных приборов . 2 (3): 33–43. doi : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
Медиа, связанные с оптическими датчиками на Wikimedia Commons
