Жарық сезіктіргіштері мен электромагниттік сәулелерді анықтау құрылғылары

Кіріспе

Жарық немесе басқа электромагниттік энергияны сезетін сенсорлар.

Фотодетекторлар, сондай-ақ фотосенсорлар деп те аталады, жарық немесе басқа электромагниттік сәулеленуді сезетін сенсорлар болып табылады. Фотодетекторлардың көптеген түрлері бар, оларды анықтау механизмі (мысалы, фотоэлектрлік немесе фотохимиялық әсерлер) немесе спектралдық сезімталдық сияқты өнімділік көрсеткіштері бойынша жіктеуге болады. Жартылай өткізгіш негізіндегі фотодетекторлар әдетте фотондарды зарядқа айналдыратын p-n торабын пайдаланады. Жұтылған фотондар тозу аймағында электрон-тесік жұптарын құрайды. Фотодиодтар және фототранзисторлар – фотодетекторлардың бірнеше мысалы. Күн батареялары жұтылған жарық энергиясының бір бөлігін электр энергиясына түрлендіреді.

Жіктеу

Фотодетекторларды жұмыс істеу механизмі мен құрылымдық ерекшеліктеріне қарай жіктеуге болады. Ең көп таралған жіктелімдер төменде келтірілген:

Фотоэмиссиялық немесе фотоэлектрлік

Газды иондау детекторлары эксперименталды бөлшектер физикасында газ атомдары мен молекулаларын иондауға жеткілікті энергиясы бар фотондар мен бөлшектерді анықтау үшін қолданылады. Иондау нәтижесінде пайда болған электрондар мен иондар ток ағынын тудырады, оны өлшеуге болады. Фотокатодты қамтитын фотокөбейтуші түтіктер, олар жарықтандырылған кезде электрондарды шығарады, содан кейін электрондар динодтар тізбегімен күшейтіледі. Жарыққа түскенде электрондарды шығаратын фотокатоды бар фототүліктер, осылайша түтік жарық интенсивтілігіне пропорционалды ток өткізеді. Микроарналы пластиналы детекторлар электрондарды көбейту механизмі ретінде саңылаулы шыны субстратты пайдаланады. Олар жоғарыда сипатталған фотомультипликатор сияқты фотокатодпен бірге қолданылуы мүмкін, саңылаулы шыны субстрат динод сатысы ретінде қызмет етеді.

Жартылай өткізгіш

Активті пикселді сенсорлар (APS) — бейне сенсорлары. Әдетте, толықтырылған металл-оксид-жартылайөткізгіш (CMOS) процесінде жасалады және CMOS бейне сенсорлары деп те аталады. APS-тер ұялы телефондардағы камералар, веб-камералар және кейбір DSLR-лерде кеңінен қолданылады. Кадмий-мырыш-теллур радиациялық детекторлары, кейбір басқа материалдардан (әсіресе германийден) айырмашылығы, сұйық азотты салқындатуды қажет етпей, бөлме температурасында тікелей түрлендіру (немесе фотоөткізгіштік) режимінде жұмыс істей алады. Олардың салыстырмалы артықшылықтарына Cd және Te атомдарының жоғары атомдық санына байланысты рентген және гамма сәулелеріне жоғары сезімталдық, сондай-ақ сцинтилляторлық детекторларға қарағанда энергияны жақсы ажырату қабілеті жатады. Зарядпен байланыстырылған құрылғылар (CCD) — астрономияда, цифрлық фотосуретте және цифрлық кинематографияда бейнелерді жазуға қолданылатын бейне сенсорлары. 1990 жылдарға дейін астрономияда фотопластинкалар ең көп қолданылды. Астро E2 сияқты астрономиялық құралдардың келесі буынына криогендік детекторлар кіреді. HgCdTe инфрақызыл детекторлары. Детекция инфрақызыл фотонның жеткілікті энергиясымен валенттік аймақтан өткізгіш аймаққа электронды итеру арқылы жүзеге асады. Мұндай электрон тиісті сыртқы оқу интегралды схемалары (ROIC) арқылы жиналып, электр сигналына түрлендіріледі. Фотодиодтар ретінде жұмыс істейтін кері бұрмаланған светодиодтар (LED). Светодиодтарды фотодиодтық жарық сенсорлары ретінде қараңыз. Жарық интенсивтігіне сәйкес кедергісін өзгертетін фоторезисторлар немесе жарыққа тәуелді резисторлар (LDR). Әдетте, LDR-дің кедергісі оған түсетін жарықтың интенсивтігі артаған сайын төмендейді. Фотодиодтар фотоэлектрлік немесе фотоөткізгіштік режимінде жұмыс істей алады. Фотодиодтар көбінесе фототокты цифрлық түрге айналдыруға болатын кернеуге түрлендіру үшін төмен шулы аналогтық электроникамен біріктіріледі. Фототранзисторлар, фотодиодты күшейткіш ретінде жұмыс істейді. Пинді фотодиодтар — төмен кешігу, төмен шу, жоғары кванттық тиімділік және төмен қараңғы ток сипаттамаларына ие фотодетектор құрылымы, көптеген CCD және CMOS бейне сенсорларында кеңінен қолданылады. Кванттық нүктелі фотоөткізгіштер немесе фотодиодтар, көрінетін және инфрақызыл спектрлік аймақтардағы толқын ұзындықтарын өңдей алады. Жартылайөткізгіш детекторлар гамма және рентген спектрометриясында, сондай-ақ бөлшектік детекторлар ретінде қолданылады. Кремнийлі дрейфтік детекторлар (SDD) — рентген спектрометриясында (EDS) және электронды микроскопияда (EDX) қолданылатын рентген сәулелерін анықтауға арналған детекторлар.

Active pixel sensors (APSs) are image sensors. Usually made in a complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) process, and also known as CMOS image sensors, APSs are commonly used in cell phone cameras, web cameras, and some DSLRs. Cadmium zinc telluride radiation detectors can operate in direct conversion (or photoconductive) mode at room temperature, unlike some other materials (particularly germanium) which require liquid nitrogen cooling. Their relative advantages include high sensitivity for x rays and gamma rays, due to the high atomic numbers of Cd and Te, and better energy resolution than scintillator detectors. Charge coupled devices (CCD) are image sensors which are used to record images in astronomy, digital photography, and digital cinematography. Before the 1990s, photographic plates were most common in astronomy. The next generation of astronomical instruments, such as the Astro E2, include cryogenic detectors. HgCdTe infrared detectors. Detection occurs when an infrared photon of sufficient energy kicks an electron from the valence band to the conduction band. Such an electron is collected by a suitable external readout integrated circuits (ROIC) and transformed into an electric signal. LEDs which are reverse biased to act as photodiodes. See LEDs as photodiode light sensors. Photoresistors or Light Dependent Resistors (LDR) which change resistance according to light intensity. Normally the resistance of LDRs decreases with increasing intensity of light falling on it. Photodiodes which can operate in photovoltaic mode or photoconductive mode. Photodiodes are often combined with low noise analog electronics to convert the photocurrent into a voltage that can be digitized. Phototransistors, which act like amplifying photodiodes. Pinned photodiodes, a photodetector structure with low lag, low noise, high quantum efficiency, and low dark current, widely used in most CCD and CMOS image sensors. Quantum dot photoconductors or photodiodes, which can handle wavelengths in the visible and infrared spectral regions. Semiconductor detectors are employed in gamma and X ray spectrometry and as particle detectors. Silicon drift detectors (SDDs) are X ray radiation detectors used in x ray spectrometry (EDS) and electron microscopy (EDX).

Фотоэлектрлік

Күн сәулесі немесе белгілі бір жарық түрлері түскен кезде кернеу тудыратын және электр тогын қамтамасыз ететін фотовольтаикалық жасушалар немесе күн жасушалары.

Термиялық

Болометрлер температураға тәуелді электр кедергісі бар материалдың қыздырылуы арқылы түсетін электромагниттік сәулеленудің қуатын өлшейді. Микроболометр – жылулық камерада детектор ретінде қолданылатын болометрдің нақты бір түрі. Криогендік детекторлар жеке рентген сәулесінің, көрінетін және инфрақызыл фотон энергиясын өлшеуге жеткілікті сезімтал. Пироэлектрлік детекторлар фотондарды олар тудыратын жылу арқылы және пироэлектрлік материалдарда пайда болатын кернеу арқылы анықтайды. Термопильдер жылу арқылы электромагниттік сәулеленуді анықтап, содан кейін терможұптарда кернеу тудырады. Голай жасушалары фотондарды газға толы камерада тудыратын жылу арқылы анықтайды, нәтижесінде газ кеңейіп, иілгіш мембрана деформацияланады, ол өлшеніп отырады.

Фотохимиялық

Ретинадағы фоторецептор жасушалары, мысалы, родопсин фотонының әсерінен туындайтын химиялық тізбек арқылы жарықты сезеді. Химиялық детектерлер, мысалы, фотосуреттік пластиналар, онда күміс галоид молекуласы металдық күміс атомына және галоген атомына ыдырайды. Фотосурет дамытқышы көрші молекулаларды да осылай ыдыратуға себеп болады.

Поляризация

Фоторефракциялық эффект голографиялық дерек сақтауда қолданылады. Поляризацияға сезімтал фотодетекторлар, қажетті сызықтық поляризацияланған фотондарды анықтау үшін оптикалық анизотропты материалдарды пайдаланады.

Графен/силикон фотодетекторлары

Графен/n-типті кремний гетерожүйесі күшті түзету қасиеттері мен жоғары фотосезімталдық көрсетеді. Графен, көлемді кремнийдің үстіне кремний кванттық нүктелерімен (Si QD) біріктіріліп, гибридті фотодетектор құрайды. Si QD графен/Si Шоттки торабының ішкі потенциалын арттырады, сонымен қатар фотодетектордың оптикалық шағылысуын азайтады. Si QD-ның электрлік және оптикалық үлесі фотодетектордың жоғары өнімділігіне мүмкіндік береді.