Fotodetektor - Photodetector

Ein Fotodetektor, der von einem CD-ROM-Laufwerk geborgen wurde . Der Fotodetektor enthält drei Fotodioden , die auf dem Foto (in der Mitte) sichtbar sind.

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

Ein kommerzieller verstärkter Fotodetektor zur Verwendung in der Optikforschung

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

Halbleiter

Photovoltaik

Thermal

Photochemisch

Polarisation

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

Verweise

Externe Links