Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с фотосенсоров )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фотоприемник, извлеченный из привода CD-ROM . Фотоприемник содержит три фотодиода , которые видны на фото (в центре).

Фотоприемники , называемые также фотодатчики , являются датчики из света или другого электромагнитного излучения . [1] Фотодетектор имеет 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 [ править ]

Коммерческий фотодетектор с усилением для использования в исследованиях оптики.

Фотоприемники можно классифицировать по их механизму обнаружения: [2] [ ненадежный источник? ] [3] [4]

  • 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 со средней щелью, а затем распадаться обратно на более низкие зоны, вызывая генерацию фононов и, следовательно, нагрев.
  • Поляризация : фотоны вызывают изменения состояния 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 увлечение фотонов [5] [6] детекторами 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 закрываются иллюминатором, иногда с антибликовым покрытием .

Свойства [ править ]

Существует ряд показателей производительности, также называемых показателями качества , с помощью которых фотоприемники характеризуются и сравниваются [2] [3]

  • 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 [7]

Устройства [ править ]

Фотоприемники, сгруппированные по механизму, включают в себя следующие устройства:

Фотоэмиссионные или фотоэлектрические [ править ]

  • 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 [ править ]

  • 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 (в частности, германия), для которых требуется охлаждение 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. [8]
  • Фотодиоды, которые могут работать в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме. [9] [10] Фотодиоды часто комбинируются с малошумящей аналоговой электроникой для преобразования фототока в напряжение, которое может быть оцифровано . [11] [12]
  • 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. [13]
  • 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. [ необходима цитата ]
  • Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD) - это детекторы рентгеновского излучения, используемые в рентгеновской спектрометрии (EDS) и электронной микроскопии (EDX). [14]

Фотоэлектрические [ править ]

  • Фотоэлектрические элементы или солнечные элементы, которые вырабатывают напряжение и подают электрический ток, когда на них попадает солнечный свет или некоторые виды света.

Термальный [ править ]

  • 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 . [15]
  • 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 [ править ]

  • 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 [ править ]

  • Фоторефрактивная эффект используются в голографическом хранении данных .
  • В чувствительных к поляризации фотодетекторах используются оптически анизотропные материалы для обнаружения фотонов с желаемой линейной поляризацией . [16]

Графеновые / кремниевые фотоприемники [ править ]

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. [17]

Частотный диапазон [ править ]

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. [18]

См. Также [ править ]

  • Система управления освещением
  • Список датчиков
  • Оптоэлектроника
  • Фотоэлектрический датчик
  • Светочувствительность
  • Считывающая интегральная схема

Ссылки [ править ]

  1. ^ Haugan, HJ; Elhamri, S .; Szmulowicz, F .; Ullrich, B .; Браун, ГДж; Митчел, WC (2008). «Исследование остаточных фоновых носителей в сверхрешетках InAs / GaSb среднего инфракрасного диапазона для работы неохлаждаемого детектора» . Письма по прикладной физике . 92 (7): 071102. Bibcode : 2008ApPhL..92g1102H . DOI : 10.1063 / 1.2884264 .
  2. ^ a b Донати, С. "Фотоприемники" (PDF) . unipv.it . Прентис Холл . Проверено 1 июня +2016 .
  3. ^ а б Йоттер, РА; Уилсон, DM (июнь 2003 г.). «Обзор фотоприемников для обнаружения светоизлучающих репортеров в биологических системах». Журнал датчиков IEEE . 3 (3): 288–303. Bibcode : 2003ISenJ ... 3..288Y . DOI : 10.1109 / JSEN.2003.814651 .
  4. ^ Stockmann, F. (май 1975). «Фотоприемники, их характеристики и ограничения». Прикладная физика . 7 (1): 1–5. Bibcode : 1975ApPhy ... 7 .... 1S . DOI : 10.1007 / BF00900511 .
  5. ↑ А. Гринберг, Анатолий; Лурый, Серж (1 июля 1988 г.). «Теория эффекта фотонного увлечения в двумерном электронном газе». Physical Review B . 38 (1): 87–96. Bibcode : 1988PhRvB..38 ... 87G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.38.87 .
  6. ↑ Bishop, P .; Гибсон, А .; Киммитт, М. (октябрь 1973 г.). «Характеристики детекторов увлечения фотонов при высоких интенсивностях лазерного излучения». Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (10): 1007–1011. Bibcode : 1973IJQE .... 9.1007B . DOI : 10,1109 / JQE.1973.1077407 .
  7. ↑ Ху, Юэ (1 октября 2014 г.). «Моделирование источников нелинейности в простом штыревом фотоприемнике» . Журнал Lightwave Technology . 32 (20): 3710–3720. Bibcode : 2014JLwT ... 32.3710H . CiteSeerX 10.1.1.670.2359 . DOI : 10,1109 / JLT.2014.2315740 . 
  8. ^ "Схема фотодетектора" . oscience.info .
  9. ^ Пирсолл, Томас (2010). Основы фотоники, 2-е издание . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-162935-5.
  10. ^ Paschotta, Рюдигер. «Энциклопедия лазерной физики и техники - фотоприемники, фотодиоды, фототранзисторы, пироэлектрические фотоприемники, матрица, измеритель мощности, шум» . www.rp-photonics.com . Проверено 31 мая 2016 .
  11. ^ "PDA10A (-EC) Si Amplified Fixed Gain Detector User Manual" (PDF) . Thorlabs . Проверено 24 апреля 2018 года .
  12. ^ "DPD80 760nm Datasheet" . Решенные инструменты . Проверено 24 апреля 2018 года .
  13. ^ Fossum, ER; Хондонгва, ДБ (2014). "Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS" . Журнал IEEE Общества электронных устройств . 2 (3): 33–43. DOI : 10,1109 / JEDS.2014.2306412 .
  14. ^ "Кремниевые дрейфовые детекторы" (PDF) . tools.thermofisher.com . Thermo Scientific.
  15. ^ Энсс, Кристиан (редактор) (2005). Обнаружение криогенных частиц . Springer, Темы прикладной физики 99. ISBN 978-3-540-20113-7.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  16. ^ Юань, Хунтао; Лю, Сяогэ; Афшинманеш, Фарзане; Ли, Вэй; Сюй, банда; Сун, Джи; Лянь, Бяо; Курто, Альберто Дж .; Е, Гоцзюнь; Хикита, Ясуюки; Шэнь, Чжисюнь; Чжан, Шоу-Чэн; Чен, Сяньхуэй; Бронгерсма, Марк; Hwang, Harold Y .; Цуй, И (1 июня 2015 г.). «Поляризационно-чувствительный широкополосный фотоприемник с черным фосфорным вертикальным p – n переходом». Природа Нанотехнологии . 10 (8): 707–713. arXiv : 1409,4729 . Bibcode : 2015NatNa..10..707Y . DOI : 10.1038 / nnano.2015.112 . PMID 26030655 . 
  17. ^ Ю, Тинг; Ван, Фэн; Сюй, Ян; Ма, Линглинг; Пи, Сяодун; Ян, Дерен (2016). "Графен в сочетании с кремниевыми квантовыми точками для высокопроизводительных фотоприемников на основе объемного кремния с переходом Шоттки". Современные материалы . 28 (24): 4912–4919. DOI : 10.1002 / adma.201506140 . PMID 27061073 . 
  18. ^ Клейкум, Ann (2014-04-14). «Исследования показывают, что« перестраиваемые »полупроводники позволят улучшить детекторы солнечных батарей» . Rdmag.com . Проверено 24 августа 2014 .

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с оптическими датчиками, на Викискладе?
  • Фотоприемники ВАХ.
  • Основы фотоники: модуль по оптическим детекторам и человеческому зрению.