датчики света или другой электромагнитной энергии
Фотодетектор, извлеченный из
привода компакт-дисков. Фотодетектор содержит три
фотодиода, видимых на фотографии (в центре).
Фотодетекторы, также называемые фотодатчиками, являются датчиками из свет или другое электромагнитное излучение. Фотодетектор имеет p – n переход, который преобразует световые фотоны в ток. Поглощенные фотоны образуют электронно-дырочные пары в области обеднения . Фотодиоды и фототранзисторы - несколько примеров фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую.
Содержание
- 1 Типы
- 2 Свойства
- 3 Устройства
- 3.1 Фотоэмиссионные или фотоэлектрические
- 3.2 Полупроводниковые
- 3.3 Фотоэлектрические
- 3.4 Тепловые
- 3.5 Фотохимические
- 3.6 Поляризация
- 3.7 Графен / кремниевые фотодетекторы
- 4 Диапазон частот
- 5 См. Также
- 6 Ссылки
- 7 Внешние ссылки
Типы
Коммерческий фотодетектор с усилением для использования в исследованиях оптики
Фотодетекторы можно классифицировать по их механизму обнаружения:
- Фотоэмиссия или фотоэлектрический эффект : Фотоны заставляют электроны переходить из зоны проводимости материала к свободным электронам в вакуум или газ.
- Тепловой: Фотоны заставляют электроны переходить в состояния со средней щелью, а затем распадаться обратно в более низкие зоны, вызывая генерацию фононов и, следовательно, тепло.
- Поляризация : Фотоны вызывают изменения в состояниях поляризации подходящих материалов, что может привести к изменению показателя преломления или другим поляризационным эффектам.
- Фотохимия: фото нс вызывают химические изменения в материале.
- Эффекты слабого взаимодействия: фотоны вызывают вторичные эффекты, такие как в детекторах фотонного увлечения или изменения давления газа в ячейках Голея.
Фотодетекторы могут использоваться в различных конфигурациях. Одиночные датчики могут определять общий уровень освещенности. Одномерный массив фотодетекторов, например, спектрофотометр или линейный сканер, можно использовать для измерения распределения света вдоль линии. Двумерная матрица фотодетекторов может использоваться в качестве датчика изображения для формирования изображений из светового узора перед ним.
Фотодетектор или матрица обычно покрыты иллюминатором, иногда имеющим антибликовое покрытие.
Свойства
Существует ряд показателей производительности, также называемых показатели качества, которыми характеризуются и сравниваются фотодетекторы
- Спектральный отклик: отклик фотодетектора как функция частоты фотонов.
- Квантовая эффективность : количество носителей (электронов или отверстий ), генерируемых на фотон.
- Чувствительность : выходной ток, деленный на общую мощность света, падающего на фотодетектор.
- Мощность, эквивалентная шуму : Количество световой мощности, необходимое для генерировать сигнал, сопоставимый по размеру с шумом устройства.
- Обнаруживающая способность : квадратный корень из площади детектора, деленный на эквивалентную мощность шума.
- Усиление: выходной ток фотодетектора, деленный на ток, непосредственно производимый фотонами, падающими на детекторы, т. е. встроенный коэффициент усиления по току.
- Темный current : ток, протекающий через фотодетектор даже в отсутствие света.
- Время отклика : время, необходимое фотодетектору для перехода с 10% до 90% от конечного значения.
- Спектр шума: напряжение или ток собственных шумов в зависимости от частоты. Это может быть представлено в виде спектральной плотности шума.
- Нелинейность: ВЧ-выход ограничен нелинейностью фотодетектора
Устройства
Сгруппированные по механизму, фотодетекторы включают в себя следующие устройства:
Фотоэмиссионные или фотоэлектрические
- Детекторы газовой ионизации используются в экспериментальной физике элементарных частиц для обнаружения фотонов и частиц с энергией, достаточной для ионизации атомов газа или молекулы. Электроны и ионы, генерируемые ионизацией, вызывают протекание тока, который можно измерить.
- Фотоэлектронные умножители, содержащие фотокатод, который при освещении испускает электроны, электроны затем усиливаются цепочка из динодов.
- фотолабор, содержащих фотокатод, который при освещении испускает электроны, так что трубка проводит ток, пропорциональный интенсивности света .
- Микроканальные пластинчатые детекторы используют пористую стеклянную подложку в качестве механизма для умножения электронов. Их можно использовать в сочетании с фотокатодом, таким как фотоумножитель, описанный выше, с пористой стеклянной подложкой, действующей как динод каскад
Полупроводник
- Датчики с активными пикселями (APS) датчиков изображения. Обычно производимые в процессе комплементарного металл-оксид-полупроводник (CMOS), а также известные как датчики изображения CMOS, APS обычно используются в камерах сотовых телефонов, веб-камерах и некоторых зеркальных фотокамерах.
- Детекторы излучения из теллурида кадмия и цинка могут работать в режиме прямого преобразования (или фотопроводимости) при комнатной температуре, в отличие от некоторых других материалов (в частности, германия), для которых требуется охлаждение жидким азотом. Их относительные преимущества включают высокую чувствительность к рентгеновскому и гамма-излучению благодаря высоким атомным номерам Cd и Te, а также лучшее разрешение по энергии, чем сцинтилляционные детекторы.
- Устройства с зарядовой связью (CCD) представляют собой датчики изображения которые используются для записи изображений в астрономии, цифровой фотографии и цифровой кинематографии. До 1990-х годов фотопластинки были наиболее распространены в астрономии. Следующее поколение астрономических инструментов, таких как Astro-E2, включает в себя криогенные детекторы.
- HgCdTe инфракрасные детекторы. Обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон достаточной энергии выталкивает электрон из валентной зоны в зону проводимости. Такой электрон собирается подходящей внешней интегральной схемой считывания (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал.
- светодиоды, которые смещены в обратном направлении, чтобы действовать как фотодиоды. См. Светодиоды как фотодиодные датчики света.
- Фоторезисторы или светозависимые резисторы (LDR), которые изменяют сопротивление в зависимости от интенсивности света. Обычно сопротивление LDR уменьшается с увеличением интенсивности падающего на него света.
- Фотодиоды, которые могут работать в режиме фотоэлектрических или светопроводящих. Фотодиоды часто сочетаются с малошумящей аналоговой электроникой для преобразования фототока в напряжение, которое может быть оцифровано.
- Фототранзисторы, которые действуют как усиливающие фотодиоды.
- Фиксированные фотодиоды, структура фотодетектора с низким запаздыванием, низким шумом, высокой квантовой эффективностью и низким темновым током, широко используемым в большинстве Датчики изображения CCD и CMOS.
- Квантовые точки фотопроводники или фотодиоды, которые могут работать с длинами волн в видимой и инфракрасной областях спектра.
- Полупроводниковые детекторы используются в гамма- и рентгеновской спектрометрии и в качестве детекторов частиц.
- Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD) - это детекторы рентгеновского излучения, используемые в рентгеновской спектрометрии (EDS) и электронной микроскопии (EDX).
Фотоэлектрические
- Фотоэлектрические элементы или солнечные элементы, которые вырабатывают напряжение и подают электрический ток, когда солнечный свет или на них светит свет.
Therm al
- Болометры измеряют мощность падающего электромагнитного излучения за счет нагрева материала с электрическим сопротивлением, зависящим от температуры. микроболометр - это особый тип болометра, используемый в качестве детектора в тепловизионной камере.
- Криогенные детекторы достаточно чувствительны для измерения энергии одиночного рентгеновского излучения, видимые и инфракрасные фотоны.
- Пироэлектрические детекторы обнаруживают фотоны через выделяемое ими тепло и последующее напряжение, генерируемое в пироэлектрических материалах.
- Термобатареи обнаруживают электромагнитное излучение через термопары.
- ячейки Голея обнаруживают фотоны по теплу, которое они генерируют в заполненной газом камере, вызывая расширение газа и деформацию гибкой мембраны, отклонение которой измеряется.
Фотохимические
- Фоторецепторные клетки в сетчатке обнаруживают свет, например, посредством химического каскада, индуцированного родопсином фотонами.
- Химические детекторы, такие как как фотопластинки, в которых молекула галогенида серебра расщеплена на атом металлического серебра и атом галогена. фотографический проявитель вызывает аналогичное разделение соседних молекул.
Поляризация
- фоторефрактивный эффект используется в хранении голографических данных.
- В чувствительных к поляризации фотодетекторах используется оптически анизотропные материалы для обнаружения фотонов с желаемой линейной поляризацией.
Фотодетекторы графен / кремний
Было продемонстрировано, что гетеропереход графен / кремний n-типа проявляет сильное выпрямляющее поведение и высокую светочувствительность. Графен соединен с кремниевыми квантовыми точками (Si QD) поверх объемного Si с образованием гибридного фотодетектора. Si КТ вызывают увеличение встроенного потенциала перехода Шоттки графен / Si при одновременном уменьшении оптического отражения фотодетектора. Как электрический, так и оптический вклад кремниевых квантовых точек обеспечивает превосходные характеристики фотодетектора.
Диапазон частот
В 2014 году был разработан метод расширения частотного диапазона полупроводникового фотодетектора до более длинных волн с меньшей энергией. Добавление источника света к устройству эффективно «заряжало» детектор, так что в присутствии длинных волн он стрелял на тех длинах волн, на которые в противном случае не хватало энергии для этого.
См. Также
Литература
Внешние ссылки