Fotodetektor - Photodetector
Fotodetektoren , auch Photosensoren genannt , sind Sensoren für Licht oder andere elektromagnetische Strahlung . Es gibt eine Vielzahl von Fotodetektoren, die nach Detektionsmechanismen wie photoelektrischen oder photochemischen Effekten oder nach verschiedenen Leistungsmetriken wie spektralen Reaktionen klassifiziert werden können . Halbleiterbasierte Fotodetektoren haben typischerweise einen pn-Übergang , der Lichtphotonen in Strom umwandelt . Die absorbierten Photonen bilden im Verarmungsbereich Elektronen-Loch-Paare . Fotodioden und Fototransistoren sind einige Beispiele für Fotodetektoren. Solarzellen wandeln einen Teil der absorbierten Lichtenergie in elektrische Energie um.
Typen
Fotodetektoren können nach ihrem Detektionsmechanismus klassifiziert werden:
- Photoemission oder photoelektrischer Effekt: Photonen bewirken, dass Elektronen vom Leitungsband eines Materials zu freien Elektronen in einem Vakuum oder Gas übergehen .
- Thermisch: Photonen bewirken, dass Elektronen in Zustände mittlerer Lücke übergehen und dann in niedrigere Bänder zurückfallen, wodurch die Erzeugung von Phononen und damit Wärme induziert wird.
- Polarisation : Photonen induzieren Änderungen der Polarisationszustände geeigneter Materialien, die zu Änderungen des Brechungsindex oder anderen Polarisationseffekten führen können.
- Photochemisch: Photonen induzieren eine chemische Veränderung in einem Material.
- Schwache Wechselwirkungseffekte: Photonen induzieren Sekundäreffekte wie in Photonenwiderstandsdetektoren oder Gasdruckänderungen in Golay-Zellen .
Fotodetektoren können in verschiedenen Konfigurationen verwendet werden. Einzelne Sensoren können das Gesamtlichtniveau erfassen. Eine 1-D-Anordnung von Fotodetektoren, wie in einem Spektrophotometer oder einem Linienscanner , kann verwendet werden, um die Lichtverteilung entlang einer Linie zu messen. Eine 2-D-Anordnung von Fotodetektoren kann als Bildsensor verwendet werden , um Bilder aus dem vorhergehenden Lichtmuster zu erzeugen.
Ein Fotodetektor oder eine Anordnung ist typischerweise von einem Beleuchtungsfenster bedeckt, das manchmal eine Antireflexbeschichtung aufweist .
Eigenschaften
Es gibt eine Reihe von Performance - Metriken, die auch als Gütezahlen , durch die Photodetektoren charakterisiert und verglichen werden
- Spektrale Antwort: Die Antwort eines Fotodetektors als Funktion der Photonenfrequenz.
- Quanteneffizienz : Die Anzahl der pro Photon erzeugten Ladungsträger (Elektronen oder Löcher ).
- Empfindlichkeit : Der Ausgangsstrom geteilt durch die gesamte Lichtleistung, die auf den Fotodetektor fällt.
- Rauschäquivalente Leistung : Die Menge an Lichtleistung, die benötigt wird, um ein Signal zu erzeugen, dessen Größe mit dem Rauschen des Geräts vergleichbar ist.
- Detektivität : Die Quadratwurzel des Detektorbereichs geteilt durch die Rauschäquivalentleistung.
- Verstärkung: Der Ausgangsstrom eines Fotodetektors geteilt durch den Strom, der direkt von den auf die Detektoren einfallenden Photonen erzeugt wird, dh die eingebaute Stromverstärkung .
- Dunkelstrom : Der Strom, der auch ohne Licht durch einen Fotodetektor fließt.
- Reaktionszeit : Die Zeit, die ein Fotodetektor benötigt, um von 10% auf 90% der endgültigen Ausgabe zu gelangen.
- Rauschspektrum: Die Eigenrauschspannung oder der Eigenrauschstrom als Funktion der Frequenz. Dies kann in Form einer Rauschspektraldichte dargestellt werden .
- Nichtlinearität: Der HF-Ausgang wird durch die Nichtlinearität des Fotodetektors begrenzt
Geräte
Photodetektoren sind nach Mechanismen gruppiert und umfassen die folgenden Geräte:
Photoemission oder Photoelektrik
- Gasionisationsdetektoren werden in der experimentellen Teilchenphysik verwendet , um Photonen und Teilchen mit ausreichender Energie zu detektieren, um Gasatome oder -moleküle zu ionisieren . Durch Ionisation erzeugte Elektronen und Ionen verursachen einen messbaren Stromfluss.
- Photomultiplier Röhren eine enthaltenden Photokathode , die emittiert Elektronen , wenn sie beleuchtet wird , werden die Elektronen dann durch eine Kette von amplifizierten Dynoden .
- Fotoröhren, die eine Fotokathode enthalten, die bei Beleuchtung Elektronen emittiert , so dass die Röhre einen Strom leitet, der proportional zur Lichtintensität ist .
- Mikrokanalplattendetektoren verwenden ein poröses Glassubstrat als Mechanismus zur Multiplikation von Elektronen. Sie können mit einer Fotokatode wie der Photomultiplier oben beschrieben, mit dem porösen Glassubstrat , die als A in Kombination verwendet werden Dynode Stufe
Halbleiter
- Active-Pixel-Sensoren (APS) sind Bildsensoren . APS werden normalerweise in einem komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS) -Verfahren hergestellt und sind auch als CMOS-Bildsensoren bekannt. Sie werden üblicherweise in Handykameras, Webkameras und einigen DSLRs verwendet .
- Cadmiumzink-Tellurid- Strahlungsdetektoren können im Gegensatz zu einigen anderen Materialien (insbesondere Germanium), die eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff erfordern, bei Raumtemperatur im Direktumwandlungsmodus (oder im photoleitenden Modus) arbeiten. Zu ihren relativen Vorteilen gehören eine hohe Empfindlichkeit für Röntgen- und Gammastrahlen aufgrund der hohen Atomzahlen von Cd und Te und eine bessere Energieauflösung als bei Szintillatordetektoren.
- Ladungsgekoppelte Geräte (CCD) sind Bildsensoren, mit denen Bilder in der Astronomie , der digitalen Fotografie und der digitalen Kinematographie aufgezeichnet werden . Vor den 1990er Jahren waren Fotoplatten in der Astronomie am verbreitetsten. Die nächste Generation astronomischer Instrumente wie der Astro-E2 umfasst kryogene Detektoren .
- HgCdTe- Infrarotdetektoren. Die Detektion erfolgt, wenn ein Infrarotphoton mit ausreichender Energie ein Elektron vom Valenzband zum Leitungsband tritt. Ein solches Elektron wird von einem geeigneten externen integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) gesammelt und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
- LEDs, die in Sperrrichtung vorgespannt sind, um als Fotodioden zu wirken. Siehe LEDs als Lichtsensoren für Fotodioden .
- Fotowiderstände oder lichtabhängige Widerstände (LDR), die den Widerstand je nach Lichtintensität ändern . Normalerweise nimmt der Widerstand von LDRs mit zunehmender Intensität des auf sie fallenden Lichts ab.
- Fotodioden, die im Photovoltaikmodus oder im photoleitenden Modus arbeiten können. Fotodioden werden häufig mit rauscharmer analoger Elektronik kombiniert, um den Fotostrom in eine Spannung umzuwandeln, die digitalisiert werden kann .
- Fototransistoren , die wie verstärkende Fotodioden wirken.
- Fixierte Fotodioden , eine Fotodetektorstruktur mit geringer Verzögerung , geringem Rauschen , hoher Quanteneffizienz und geringem Dunkelstrom , die in den meisten CCD- und CMOS-Bildsensoren weit verbreitet ist.
- Quantenpunkt- Fotoleiter oder Fotodioden , die Wellenlängen im sichtbaren und infraroten Spektralbereich verarbeiten können.
- Halbleiterdetektoren werden in der Gamma- und Röntgenspektrometrie sowie als Partikeldetektoren eingesetzt.
- Siliziumdriftdetektoren (SDDs) sind Röntgenstrahlungsdetektoren, die in der Röntgenspektrometrie (EDS) und Elektronenmikroskopie (EDX) verwendet werden.
Photovoltaik
- Photovoltaikzellen oder Solarzellen, die eine Spannung erzeugen und elektrischen Strom liefern, wenn Sonnenlicht oder bestimmte Arten von Licht auf sie scheinen.
Thermal
- Bolometer messen die Leistung einfallender elektromagnetischer Strahlung über die Erwärmung eines Materials mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Ein Mikrobolometer ist ein spezieller Bolometertyp, der als Detektor in einer Wärmebildkamera verwendet wird .
- Kryogene Detektoren sind ausreichend empfindlich, um die Energie einzelner Röntgen- , sichtbarer und infraroter Photonen zu messen .
- Pyroelektrische Detektoren erfassen Photonen durch die von ihnen erzeugte Wärme und die nachfolgende Spannung, die in pyroelektrischen Materialien erzeugt wird.
- Thermopiles erfassen elektromagnetische Strahlung durch Wärme und erzeugen dann eine Spannung in Thermoelementen .
- Golay-Zellen erfassen Photonen anhand der Wärme, die sie in einer gasgefüllten Kammer erzeugen, wodurch sich das Gas ausdehnt und eine flexible Membran verformt, deren Durchbiegung gemessen wird.
Photochemisch
- Photorezeptorzellen in der Netzhaut detektieren Licht beispielsweise durch eine Rhodopsin- Photonen-induzierte chemische Kaskade.
- Chemische Detektoren wie fotografische Platten , bei denen ein Silberhalogenidmolekül in ein Atom aus metallischem Silber und ein Halogenatom gespalten ist. Der fotografische Entwickler bewirkt , dass sich benachbarte Moleküle auf ähnliche Weise teilen.
Polarisation
- Der photorefraktive Effekt wird bei der holographischen Datenspeicherung verwendet .
- Polarisationsempfindliche Fotodetektoren verwenden optisch anisotrope Materialien, um Photonen mit einer gewünschten linearen Polarisation zu erfassen .
Graphen / Silizium-Fotodetektoren
Es wurde gezeigt, dass ein Silizium-Heteroübergang vom Graphen / n-Typ ein starkes Gleichrichtungsverhalten und eine hohe Lichtempfindlichkeit aufweist. Graphen wird mit Siliziumquantenpunkten (Si-QDs) auf Si-Volumen gekoppelt, um einen Hybrid-Fotodetektor zu bilden. Si-QDs bewirken eine Erhöhung des eingebauten Potentials des Graphen / Si-Schottky-Übergangs, während die optische Reflexion des Fotodetektors verringert wird. Sowohl die elektrischen als auch die optischen Beiträge von Si-QDs ermöglichen eine überlegene Leistung des Fotodetektors.
Frequenzbereich
2014 eine Technik zur Erweiterung des Frequenzbereichs von Fotodetektoren auf Halbleiterbasis auf längere Wellenlängen niedrigerer Energie. Durch Hinzufügen einer Lichtquelle zu dem Gerät wurde der Detektor effektiv "vorbereitet", so dass er bei Vorhandensein langer Wellenlängen auf Wellenlängen feuerte, denen ansonsten die Energie dazu fehlte.
Siehe auch
- Lichtsteuersystem
- Liste der Sensoren
- Optoelektronik
- Fotoelektrischer Sensor
- Lichtempfindlichkeit
- Integrierte Schaltung auslesen
Verweise
Externe Links
- Medien zu optischen Sensoren bei Wikimedia Commons
- Photodetektoren I - V-Eigenschaften
- Grundlagen der Photonik: Modul zu optischen Detektoren und menschlichem Sehen