Введение

Датчики света или другой электромагнитной энергии

Фотодетекторы, также называемые фотодатчиками, являются датчиками света или другого электромагнитного излучения. Существует большое разнообразие фотодетекторов, которые могут быть классифицированы по механизму обнаружения, такому как фотоэлектрический или фотохимический эффект, или по различным характеристикам, например, спектральной чувствительности. Полупроводниковые фотодетекторы обычно используют p–n переход, который преобразует фотоны в электрический заряд. Поглощенные фотоны создают электронно-дырочные пары в обедненной области. Фотодиоды и фототранзисторы – это несколько примеров фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую.

Классификация

Фотодетекторы можно классифицировать по принципу действия и структуре устройства. Ниже приведены основные классификации:

Фотоэмиссионные или фотоэлектрические

Газовые ионизационные детекторы используются в экспериментальной физике частиц для обнаружения фотонов и частиц, обладающих достаточной энергией для ионизации атомов или молекул газа. Электроны и ионы, образующиеся при ионизации, создают поток тока, который можно измерить. Фотоумножители содержат фотокатод, излучающий электроны при освещении, которые затем усиливаются цепочкой динодов. Фототрубки содержат фотокатод, излучающий электроны при освещении, в результате чего трубка проводит ток, пропорциональный интенсивности света. Микроканальные пластины используют пористую стеклянную подложку для умножения электронов. Они могут использоваться в сочетании с фотокатодом, подобным описанному выше фотоумножителю, где пористая стеклянная подложка выполняет функцию динодного каскада.

Полупроводники

Активные пиксельные сенсоры (APS) – это датчики изображения. Обычно изготавливаемые в комплементарном металл-оксид-полупроводниковом (CMOS) процессе, также известные как CMOS-сенсоры изображения, APS широко используются в камерах мобильных телефонов, веб-камерах и некоторых зеркальных фотоаппаратах. Детекторы излучения теллурида кадмия и цинка могут работать в режиме прямого преобразования (или фотопроводности) при комнатной температуре, в отличие от некоторых других материалов (особенно германия), которым требуется охлаждение жидким азотом. Их относительные преимущества включают высокую чувствительность к рентгеновским и гамма-лучам благодаря высоким атомным номерам Cd и Te, а также лучшее энергетическое разрешение по сравнению со сцинтилляционными детекторами. Устройства с зарядовой связью (CCD) – это датчики изображения, используемые для записи изображений в астрономии, цифровой фотографии и цифровой кинематографии. До 1990-х годов фотографические пластины были наиболее распространены в астрономии. Следующее поколение астрономических инструментов, таких как Astro E2, включает криогенные детекторы. Инфракрасные детекторы HgCdTe. Обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон с достаточной энергией выбивает электрон из валентной зоны в зону проводимости. Такой электрон собирается соответствующими внешними интегральными схемами считывания (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал. Светодиоды, работающие в режиме обратного смещения как фотодиоды. См. раздел «Светодиоды как светодиодные датчики». Фоторезисторы или светозависимые резисторы (LDR), изменяющие сопротивление в зависимости от интенсивности света. Обычно сопротивление LDR уменьшается с увеличением интенсивности падающего на него света. Фотодиоды, которые могут работать в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме. Фотодиоды часто комбинируются с малошумящей аналоговой электроникой для преобразования фототока в напряжение, которое может быть оцифровано. Фототранзисторы, действующие как усиливающие фотодиоды. Закрепленные фотодиоды – фотодетекторная структура с низким лагом, низким уровнем шума, высокой квантовой эффективностью и низким темным током, широко используемая в большинстве CCD и CMOS-сенсоров изображения. Квантовые точечные фотопроводники или фотодиоды, способные обрабатывать длины волн в видимом и инфракрасном диапазонах 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, вырабатывающие напряжение и обеспечивающие электрический ток при воздействии солнечного света или определенных видов освещения.

Тепловой

Болометры измеряют мощность падающего электромагнитного излучения посредством нагрева материала, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Микроболометр – это специфический тип болометра, используемый в качестве детектора в тепловизоре. Криогенные детекторы достаточно чувствительны для измерения энергии одиночных рентгеновских, видимых и инфракрасных фотонов. Пироэлектрические детекторы регистрируют фотоны по теплу, которое они генерируют, и последующему напряжению, возникающему в пироэлектрических материалах. Термопилы обнаруживают электромагнитное излучение по теплу, которое оно вызывает, а затем генерируют напряжение в термоэлементах. Клетки Голея обнаруживают фотоны по теплу, которое они генерируют в газонаполненной камере, вызывая расширение газа и деформацию гибкой мембраны, отклонение которой и измеряется.

Фотохимические

Фоторецепторные клетки сетчатки обнаруживают свет, например, посредством химического каскада, индуцированного фотонами родопсина. Химические детекторы, такие как фотопластинки, в которых молекула галогенида серебра расщепляется на атом металлического серебра и атом галогена. Фотопроявитель вызывает аналогичное расщепление смежных молекул.

Поляризация

Фоторефрактивный эффект используется в голографической записи данных. Поляризационно-чувствительные фотодетекторы используют оптически анизотропные материалы для детектирования фотонов с заданной линейной поляризацией.

Фотодетекторы из графена/кремния

Гетероструктура графен/n-тип кремния продемонстрировала выраженную выпрямляющую характеристику и высокую фоточувствительность. Графен соединен с кремниевыми квантовыми точками (Si QDs) на поверхности объемного кремния для создания гибридного фотодетектора. Кремниевые квантовые точки увеличивают встроенный потенциал барьера Шоттки графен/кремний, одновременно снижая оптическое отражение от фотодетектора. Совместный электрический и оптический вклад Si QDs обеспечивает превосходные характеристики фотодетектора.