Fotodetektor - Photodetector

Fotodetektor zachráněný z a Jednotka CD-ROM. Fotodetektor obsahuje tři fotodiody, viditelné na fotografii (uprostřed).

Fotodetektory, také zvaný fotosenzory, jsou senzory z světlo nebo jiný elektromagnetická radiace.[1] Foto detektor má p – n křižovatka který převádí světelné fotony na proud. Absorbované fotony vytvářejí páry elektron-díra v oblast vyčerpání. Fotodiody a fototranzistory jsou několik příkladů fotodetektorů. Solární články převést část absorbované světelné energie na elektrickou energii.

Typy

Komerční zesílený fotodetektor pro použití ve výzkumu optiky

Fotodetektory lze klasifikovat podle jejich mechanismu detekce:[2][nespolehlivý zdroj? ][3][4]

  • Fotoemise nebo fotoelektrický efekt: Fotony způsobují přechod elektronů z vodivé pásmo materiálu k uvolnění elektronů ve vakuu nebo plynu.
  • Tepelné: Fotony způsobují přechod elektronů do stavu střední mezery, poté se rozpadají zpět do nižších pásem a indukují telefon generace a tím i tepla.
  • Polarizace: Fotony vyvolávají změny polarizačních stavů vhodných materiálů, což může vést ke změně index lomu nebo jiné polarizační efekty.
  • Fotochemické: Fotony indukují chemickou změnu v materiálu.
  • Slabé interakční efekty: fotony indukují sekundární efekty, například při tažení fotonu[5][6] detektory nebo změny tlaku plynu v Golayovy buňky.

Fotodetektory lze použít v různých konfiguracích. Jednotlivé senzory mohou detekovat celkovou úroveň světla. 1-D pole fotodetektorů, jako v a spektrofotometr nebo a Linkový skener, lze použít k měření distribuce světla podél čáry. 2-D pole fotodetektorů lze použít jako obrazový snímač tvořit obrazy ze vzoru světla před ním.

Fotodetektor nebo pole je obvykle pokryto osvětlovacím okénkem, někdy s antireflexní vrstva.

Vlastnosti

Existuje celá řada metrik výkonu, nazývaných také čísla zásluh, kterými jsou fotodetektory charakterizovány a porovnávány[2][3]

  • Spektrální odezva: Odezva fotodetektoru jako funkce frekvence fotonu.
  • Kvantová účinnost: Počet nosičů (elektrony nebo díry ) generované na foton.
  • Odpovědnost: Výstupní proud dělený celkovým světelným výkonem dopadajícím na fotodetektor.
  • Výkon ekvivalentní hluku: Množství světelné energie potřebné k vygenerování signálu srovnatelné velikosti s hluk zařízení.
  • Detektivita: Druhá odmocnina oblasti detektoru vydělená výkonem ekvivalentního šumu.
  • Zisk: Výstupní proud fotodetektoru dělený proudem přímo produkovaným fotony dopadajícími na detektory, tj. Vestavěný aktuální zisk.
  • Temný proud: Proud protékající fotodetektorem i při absenci světla.
  • Doba odezvy: Čas potřebný k tomu, aby se fotodetektor dostal z 10% na 90% konečného výstupu.
  • Šumové spektrum: Napětí nebo proud vnitřního šumu jako funkce frekvence. To může být reprezentováno ve formě a šumová spektrální hustota.
  • Nelineárnost: RF výstup je omezen nelinearitou fotodetektoru[7]

Zařízení

Seskupené podle mechanismů zahrnují fotodetektory následující zařízení:

Fotoemise nebo fotoelektrické

Polovodič

Fotovoltaické

Tepelný

  • Bolometry měřit sílu dopadajícího elektromagnetického záření prostřednictvím ohřevu materiálu s elektrickým odporem závislým na teplotě. A mikrobolometr je specifický typ bolometru používaný jako detektor v a termální kamera.
  • Kryogenní detektory jsou dostatečně citlivé na měření energie singlu rentgen, viditelné a infračervený fotony.[14]
  • Pyroelektrické detektory detekovat fotony prostřednictvím tepla, které generují, a následného napětí generovaného v pyroelektrických materiálech.
  • Termopily detekovat elektromagnetické záření prostřednictvím tepla a poté generovat napětí v termočlánky.
  • Golayovy buňky detekovat fotony teplem, které generují v komoře naplněné plynem, což způsobí, že plyn expanduje a deformuje pružnou membránu, jejíž odchylka se měří.

Fotochemické

Polarizace

Grafod / křemíkové fotodetektory

Ukázalo se, že heterojunkce křemíku křemíku typu grafen / n vykazuje silné usměrňovací chování a vysokou fotoresponzivitu. Grafen je spojen s křemíkovými kvantovými tečkami (Si QDs) na vrcholu objemového Si za vzniku hybridního fotodetektoru. Si QD způsobují zvýšení zabudovaného potenciálu křižovatky grafen / Si Schottky při současném snížení optického odrazu fotodetektoru. Elektrické i optické příspěvky Si QD umožňují vynikající výkon fotodetektoru.[16]

Frekvenční rozsah

V roce 2014 technika pro rozšíření frekvenčního rozsahu fotodetektoru na bázi polovodičů na delší vlnové délky s nižší energií. Přidání světelného zdroje k zařízení účinně „připravilo“ detektor tak, aby za přítomnosti dlouhých vlnových délek vystřelil na vlnové délky, které by jinak neměly k tomu energii.[17]

Viz také

Reference

  1. ^ Haugan, H. J .; Elhamri, S .; Szmulowicz, F .; Ullrich, B .; Brown, G. J .; Mitchel, W. C. (2008). "Studie zbytkových nosičů pozadí ve středních infračervených InAs / GaSb superlattices pro nechlazený provoz detektoru". Aplikovaná fyzikální písmena. 92 (7): 071102. Bibcode:2008ApPhL..92g1102H. doi:10.1063/1.2884264.
  2. ^ A b Donati, S. "Fotodetektory" (PDF). unipv.it. Prentice Hall. Citováno 1. června 2016.
  3. ^ A b Yotter, R.A .; Wilson, D.M. (Červen 2003). "Přehled fotodetektorů pro snímání reportérů emitujících světlo v biologických systémech". Deník senzorů IEEE. 3 (3): 288–303. Bibcode:2003ISenJ ... 3..288Y. doi:10.1109 / JSEN.2003.814651.
  4. ^ Stöckmann, F. (květen 1975). "Fotodetektory, jejich výkon a jejich omezení". Aplikovaná fyzika. 7 (1): 1–5. Bibcode:1975 Apphy ... 7 .... 1S. doi:10.1007 / BF00900511.
  5. ^ A. Grinberg, Anatoly; Luryi, Serge (1. července 1988). "Teorie efektu fotonového tahu v dvourozměrném elektronovém plynu". Fyzický přehled B. 38 (1): 87–96. Bibcode:1988PhRvB..38 ... 87G. doi:10.1103 / PhysRevB.38.87.
  6. ^ Bishop, P .; Gibson, A .; Kimmitt, M. (říjen 1973). "Výkon detektorů fotonového tahu při vysokých intenzitách laseru". IEEE Journal of Quantum Electronics. 9 (10): 1007–1011. Bibcode:1973IJQE .... 9.1007B. doi:10.1109 / JQE.1973.1077407.
  7. ^ Hu, Yue (1. října 2014). "Modelování zdrojů nelinearity v jednoduchém pinovém fotodetektoru". Journal of Lightwave Technology. 32 (20): 3710–3720. Bibcode:2014JLwT ... 32.3710H. CiteSeerX  10.1.1.670.2359. doi:10.1109 / JLT.2014.2315740.
  8. ^ "Okruh detektoru fotografií". oscience.info.
  9. ^ Paschotta, Dr. Rüdiger. „Encyklopedie laserové fyziky a technologie - fotodetektory, fotodiody, fototranzistory, pyroelektrické fotodetektory, pole, powermetr, šum“. www.rp-photonics.com. Citováno 2016-05-31.
  10. ^ „Uživatelská příručka k zesilovači PDA10A (-EC) se zesíleným pevným ziskem“ (PDF). Thorlabs. Citováno 24. dubna 2018.
  11. ^ „Datový list DPD80 760nm“. Vyřešené nástroje. Citováno 24. dubna 2018.
  12. ^ Fossum, E. R .; Hondongwa, D. B. (2014). „Recenze připnuté fotodiody pro obrazové snímače CCD a CMOS“. IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2 (3): 33–43. doi:10.1109 / JEDS.2014.2306412.
  13. ^ "Detektory křemíkového driftu" (PDF). tools.thermofisher.com. Thermo Scientific.
  14. ^ Enss, Christian (editor) (2005). Detekce kryogenních částic. Springer, Témata aplikované fyziky 99. ISBN  978-3-540-20113-7.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
  15. ^ Yuan, Hongtao; Liu, Xiaoge; Afshinmanesh, Farzaneh; Li, Wei; Xu, Gang; Sun, Jie; Lian, Biao; Curto, Alberto G .; Ye, Guojun; Hikita, Yasuyuki; Shen, Zhixun; Zhang, Shou-Cheng; Chen, Xianhui; Brongersma, Mark; Hwang, Harold Y .; Cui, Yi (1. června 2015). „Širokopásmový fotodetektor citlivý na polarizaci využívající černý fosforový vertikální přechod p – n“. Přírodní nanotechnologie. 10 (8): 707–713. arXiv:1409.4729. Bibcode:2015NatNa..10..707Y. doi:10.1038 / nnano.2015.112. PMID  26030655.
  16. ^ Yu, Ting; Wang, Feng; Xu, Yang; Ma, Lingling; Pi, Xiaodong; Yang, Deren (2016). „Grafen ve spojení s křemíkovými kvantovými tečkami pro vysoce výkonné fotodetektory Schottky-Junction na bázi křemíku“. Pokročilé materiály. 28 (24): 4912–4919. doi:10.1002 / adma.201506140. PMID  27061073.
  17. ^ Claycombe, Ann (2014-04-14). „Výzkum zjistil, že„ laditelné “polovodiče umožní lepší detektory, solární články“. Rdmag.com. Citováno 2014-08-24.

externí odkazy