Фотоприемник - Photodetector
Фотоприемники , называемые также фотодатчики , являются датчики из света или другого электромагнитного излучения . Существует большое количество фотодетекторов, которые можно классифицировать по механизму обнаружения, например по фотоэлектрическим или фотохимическим эффектам, или по различным показателям производительности, таким как спектральный отклик. Фотоприемники на основе полупроводников обычно имеют p – n-переход, который преобразует световые фотоны в ток. Поглощенные фотоны образуют электронно-дырочные пары в обедненной области . Фотодиоды и фототранзисторы - несколько примеров фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую.
Типы
Фотоприемники можно классифицировать по механизму обнаружения:
- Фотоэмиссия или фотоэлектрический эффект: фотоны заставляют электроны переходить из зоны проводимости материала к свободным электронам в вакууме или газе.
- Тепловой: фотоны заставляют электроны переходить в состояния со средней щелью, а затем распадаться обратно на более низкие 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 поляризационным эффектам.
- Фотохимические: фотоны вызывают химические изменения в материале.
- Эффекты слабого взаимодействия: фотоны вызывают вторичные эффекты, такие как в детекторах увлечения фотонов или изменение давления газа в ячейках Голея .
Фотоприемники могут использоваться в различных конфигурациях. Одиночные датчики могут определять общий уровень освещенности. Одномерный массив 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 светового узора перед ним.
Фотодетектор или матрица обычно закрыты иллюминатором, иногда с антибликовым покрытием .
Характеристики
Существует ряд показателей производительности, также называемых показателями качества , с помощью которых фотоприемники характеризуются и сравниваются.
- Спектральный отклик: отклик фотодетектора как функция частоты фотонов.
- Квантовая эффективность : количество носителей (электронов или дырок ), генерируемых на фотон.
- Чувствительность : выходной ток, деленный на общую мощность света, падающего на фотодетектор.
- Мощность, эквивалентная шуму : количество световой мощности, необходимое для генерации сигнала, сопоставимого 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. На встроенное усиление по току .
- Темновой ток : ток, протекающий через фотоприемник даже в отсутствие света.
- Время отклика : время, необходимое фотоприемнику для перехода от 10% до 90% от конечной выходной мощности.
- Спектр шума: напряжение или ток собственных шумов в зависимости от частоты. Это можно представить в виде спектральной плотности шума .
- Нелинейность: ВЧ-выход ограничен нелинейностью фотодетектора.
Устройства
Фотоприемники, сгруппированные по механизму, включают в себя следующие устройства:
Фотоэмиссия или фотоэлектрическая
- Детекторы газовой ионизации используются в экспериментальной физике частиц для обнаружения фотонов и частиц с энергией, достаточной для ионизации атомов или молекул газа. Электроны и ионы, генерируемые ионизацией, вызывают протекание тока, который можно измерить.
- Фотоэлектронные умножители, содержащие фотокатод, который испускает электроны при освещении, затем электроны усиливаются цепочкой динодов .
- Фототрубки, содержащие фотокатод, который при освещении испускает электроны , так что трубка проводит ток, пропорциональный интенсивности света .
- В детекторах с микроканальными пластинами в качестве механизма умножения электронов используется пористая стеклянная подложка. Их можно использовать в сочетании с фотокатодом, таким как фотоумножитель, описанный выше, с пористой стеклянной подложкой, действующей как динодный каскад.
Полупроводник
- Датчики с активными пикселями (APS) - это датчики 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 (особенно германия), которые требуют охлаждения жидким азотом. Их относительные преимущества включают высокую чувствительность к рентгеновскому и гамма-излучению из-за высоких атомных номеров Cd и Te, а также лучшее разрешение по энергии, чем сцинтилляционные детекторы.
- Устройства с зарядовой связью (ПЗС) - 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 .
- Инфракрасные извещатели HgCdTe . Обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон с достаточной энергией выталкивает электрон из валентной зоны в зону проводимости. Такой электрон собирается подходящей внешней интегральной схемой считывания (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал.
- Светодиоды с обратным смещением действуют как фотодиоды. Считайте светодиоды фотодиодными датчиками света .
- Фоторезисторы или светозависимые резисторы (LDR), которые изменяют сопротивление в зависимости от интенсивности света . Обычно сопротивление LDR уменьшается с увеличением интенсивности падающего на них света.
- Фотодиоды, которые могут работать в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме. Фотодиоды часто сочетаются с малошумящей аналоговой электроникой для преобразования фототока в напряжение, которое может быть оцифровано .
- Фототранзисторы , которые действуют как усиливающие фотодиоды.
- Прикрепленные фотодиоды , структура фотодетектора с низкой задержкой , низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током , широко используемые в большинстве датчиков изображения CCD и CMOS.
- Фотопроводники или фотодиоды на квантовых точках , 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.
- 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 на них попадает солнечный свет или некоторые виды света.
Тепловой
- Болометры измеряют мощность падающего электромагнитного излучения за счет нагрева материала с электрическим сопротивлением, зависящим от температуры. Микроболометрический представляет собой специфический тип болометра используется в качестве детектора в тепловой камере .
- Криогенные детекторы достаточно чувствительны для измерения энергии одиночных рентгеновских , видимых и инфракрасных фотонов .
- Пироэлектрические детекторы обнаруживают фотоны через выделяемое ими тепло и последующее напряжение, генерируемое в пироэлектрических материалах.
- Термобатареи обнаруживают электромагнитное излучение через тепло, 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, отклонение которой измеряется.
Фотохимический
- Фоторецепторные клетки в сетчатке обнаружение света через, например, в родопсина фотон-индуцированный химический каскада.
- Химические детекторы, такие как фотопластинки , в которых молекула галогенида серебра расщеплена на атом металлического серебра и атом галогена. Проявитель вызывает соседние молекулы , чтобы разделить аналогичным образом .
Поляризация
- Фоторефрактивная эффект используются в голографическом хранении данных .
- В чувствительных к поляризации фотодетекторах используются оптически анизотропные материалы для обнаружения фотонов с желаемой линейной поляризацией .
Фотоприемники 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, образуя гибридный фотодетектор. 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.
Частотный диапазон
В 2014 году был разработан метод расширения частотного диапазона полупроводниковых фотоприемников до более длинных волн с меньшей энергией. Добавление источника света к устройству эффективно «заряжало» детектор, так что в присутствии длинных волн он стрелял на таких длинах волн, которым в противном случае не хватало бы энергии для этого.
Смотрите также
- Система управления освещением
- Список датчиков
- Оптоэлектроника
- Фотоэлектрический датчик
- Светочувствительность
- Считывающая интегральная схема
Рекомендации
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с оптическими датчиками, на Викискладе?
- Фотоприемники ВАХ.
- Основы фотоники: модуль по оптическим детекторам и человеческому зрению.