Fotodetektor
Fotodetektori ili fotoćelije su senzori (čula) svjetlosti u nekom opsegu elektromagnetskog spektra.[1] Postoji veliki broj fotodetektora koji se mogu klasifikovati prema mehanizmu detekcije, kao što su fotoelektrični ili fotohemijski efekti, ili prema različitim metrikama performansi, kao što je spektralni odziv. Fotodetektori zasnovani na poluprovodnicima obično imaju p–n spoj koji pretvara svetlosne fotone u struju. Apsorbovani fotoni prave parove elektron-rupa u oblasti iscrpljivanja. Fotodiode i fototranzistori su nekoliko primera fotodetektora. Solarne ćelije pretvaraju deo apsorbovane svetlosne energije u električnu energiju.
Tipovi[uredi | uredi izvor]
Fotodetektori se mogu klasifikovati prema njihovom mehanizmu za detekciju:[2][3][4]
- Fotoemisija ili fotoelektrični efekat: Fotoni uzrokuju prelazak elektrona iz provodnog pojasa materijala u slobodne elektrone u vakuumu ili gasu.
- Toplotni: fotoni dovode do prelaska elektrona u stanja srednjeg razmaka, a zatim se vraćaju u niže opsege, izazivajući stvaranje fonona, a time i toplotu.
- Polarizacija: Fotoni izazivaju promene u polarizacionim stanjima odgovarajućih materijala, što može dovesti do promene indeksa prelamanja ili drugih efekata polarizacije.
- Fotohemijska: Fotoni izazivaju hemijsku promenu u materijalu.
- Efekti slabe interakcije: fotoni izazivaju sekundarne efekte kao što su detektori otpora fotona[5][6] ili promene pritiska gasa u Golajskim ćelijama.
Vrste[uredi | uredi izvor]
Postoji više vrsta:
- Optički detektor — koriste se u kvantnoj fizici za detektovanje individualnih fotona
- Hemijski detektor — kao fotografske ploče osjetljive na svjetlost
- Fotootpornik — mijenja se otpor prema osvjetljenju
- Fotovoltaična ćelija — proizvode napon i struju kad su osvijetljene
- Fotodioda — proizvode napon pri osvjetljenju
- Fototranzistor — svjetlost uzrokuje struju baze, koja se pojačava dalje
- Fotomultiplikatorska cijev — fotokatoda emituje elektrone, čiji je broj uvećan odbijanjem od više dinoda
- Fotocijev — sa fotokatodom iz koje izlaze elektroni pod djelovanjem svjetlosti i odlaze direkto na anodu
- Termooptički detektor — osjetljivi na toplotu; tu spadaju piroelektrični detektori, termočlanovi i termistori
- Kriogenički senzor — vrlo osjetljivi, posebne namjene
- CCD senzor — koriste se u digitalnim foto-aparatima i drugdje
Svojstva[uredi | uredi izvor]
Postoji niz metrika performansi, koje se nazivaju cifre zasluga, prema kojima se fotodetektori karakterišu i upoređuju[2][3]
- Spektralni odziv: Odziv fotodetektora kao funkcija frekvencije fotona.
- Kvantna efikasnost: Broj nosilaca (elektrona ili rupa) generisanih po fotonu.
- Odziv: Izlazna struja podeljena sa ukupnom svetlosnom snagom koja pada na fotodetektor.
- Snaga ekvivalentna buci: Količina svetlosne snage koja je potrebna za generisanje signala uporedive veličine sa šumom uređaja.
- Detektivnost: kvadratni koren površine detektora podeljen snagom ekvivalenta buke.
- Pojačanje: Izlazna struja fotodetektora podeljena sa strujom koju direktno proizvode fotoni koji upadaju na detektore, tj. ugrađeno pojačanje struje.
- Tamna struja: Struja koja teče kroz fotodetektor čak i u odsustvu svetlosti.
- Vreme odziva: Vreme potrebno da fotodetektor pređe sa 10% na 90% konačnog izlaza.
- Spektar buke: Napon ili struja unutrašnjeg šuma kao funkcija frekvencije. Ovo se može predstaviti u obliku spektralne gustine šuma.
- Nelinearnost: RF-izlaz je ograničen nelinearnošću fotodetektora[7]
Uređaji[uredi | uredi izvor]
Grupisani po mehanizmu, fotodetektori uključuju sledeće uređaje:
Fotoemisioni ili fotoelektrični[uredi | uredi izvor]
- Gasni jonizacioni detektori se koriste u eksperimentalnoj fizici čestica za detekciju fotona i čestica sa dovoljnom energijom da jonizuju atome ili molekule gasa. Elektroni i joni generisani jonizacijom izazivaju strujni tok koji se može meriti.
- Fotomultiplikatorske cevi koje sadrže fotokatodu koja emituje elektrone kada je osvetljena, elektroni se zatim pojačavaju lancem dinoda.
- Fotocevi koje sadrže fotokatodu koja emituje elektrone kada je osvetljena, tako da cev sprovodi struju proporcionalnu intenzitetu svetlosti.
- Detektori mikrokanalnih ploča koriste poroznu staklenu podlogu kao mehanizam za umnožavanje elektrona. Mogu se koristiti u kombinaciji sa fotokatodom kao što je fotomultiplikator opisan gore, sa poroznom staklenom podlogom koja deluje kao dinodni stepen
Poluprovodnik[uredi | uredi izvor]
- Senzori aktivnih piksela (APS) su senzori slike. Obično napravljeni u komplementarnom procesu metal-oksid-poluprovodnik (CMOS), a poznati i kao CMOS senzori slike, APS elementi se obično koriste u kamerama mobilnih telefona, veb kamerama i nekim DSLR uređajima.
- Kadmijum cink teluridni detektori zračenja mogu da rade u režimu direktne konverzije (ili fotokonduktivnom modu) na sobnoj temperaturi, za razliku od nekih drugih materijala (posebno germanijuma) koji zahtevaju hlađenje tečnim azotom. Njihove relativne prednosti uključuju visoku osetljivost na rendgenske i gama-zrake, zbog visokog atomskog broja Cd i Te, i bolje energetske rezolucije od scintilatorskih detektora.
- Uređaji sa spregnutim nabojem (CCD) su senzori slike koji se koriste za snimanje slika u astronomiji, digitalnoj fotografiji i digitalnoj kinematografiji. Pre 1990-ih, fotografske ploče su bile najčešće korišćene u astronomiji. Sledeća generacija astronomskih instrumenata, kao što je Astro-E2, uključuje kriogene detektore.
- HgCdTe infracrveni detektori. Detekcija se dešava kada infracrveni foton dovoljne energije izbaci elektron iz valentnog pojasa u provodni pojas. Takav elektron se prikuplja odgovarajućim eksternim integrisanim kolima za očitavanje (ROIC) i transformiše u električni signal.
- LED diode koje su obrnuto pristrasne da deluju kao fotodiode. Pogledajte LED diode kao fotodiodni senzori svetlosti.
- Fotootpornici ili otpornici zavisni od svetlosti (LDR) koji menjaju otpor prema intenzitetu svetlosti. Obično se otpor LDR-ova smanjuje sa povećanjem intenziteta svetlosti koja pada na njih.[8]
- Fotodiode koje mogu da rade u fotonaponskom ili fotokonduktivnom režimu.[9][10] Fotodiode se često kombinuju sa niskošumnom analognom elektronikom da bi se fotostruja pretvorila u napon koji se može digitalizovati.[11][12]
- Fototranzistori, koji deluju kao pojačavajuće fotodiode.
- Zakačene fotodiode, fotodetektorska struktura sa malim kašnjenjem, malim šumom, visokom kvantnom efikasnošću i malom tamnom strujom, široko se koriste u većini CCD i CMOS senzora slike.[13]
- Fotoprovodničke kvantne tačke ili fotodiode, koji mogu da podnesu talasne dužine u vidljivom i infracrvenom spektru.
- Poluprovodnički detektori se koriste u gama i rendgenskoj spektrometriji i kao detektori čestica.[14][15]
- Silicijumski drift detektori (SDD) su detektori rendgenskog zračenja koji se koriste u rendgenskoj spektrometriji (EDS) i elektronskoj mikroskopiji (EDX).[16]
fotonaponski[uredi | uredi izvor]
- Fotonaponske ćelije ili solarne ćelije koje proizvode napon i snabdevaju električnu struju kada sunčeva svetlost ili određene vrste svetlosti sijaju na njih.
Termički[uredi | uredi izvor]
- Bolometri mere snagu upadnog elektromagnetnog zračenja kroz zagrevanje materijala sa električnim otporom koji zavisi od temperature. Mikrobolometar je specifičan tip bolometra koji se koristi kao detektor u termalnoj kameri.
- Kriogeni detektori su dovoljno osetljivi da mere energiju pojedinačnih rendgenskih, vidljivih i infracrvenih fotona.[17]
- Piroelektrični detektori detektuju fotone kroz toplotu koju generišu i naknadni napon generisan u piroelektričnim materijalima.
- Termopili detektuju elektromagnetno zračenje kroz toplotu, a zatim generišu napon u termoparovima.
- Golajske ćelije detektuju fotone po toploti koju generišu u komori ispunjenoj gasom, uzrokujući da se gas širi i deformiše fleksibilnu membranu čiji se otklon meri.
Fotohemijski[uredi | uredi izvor]
- Fotoreceptorske ćelije u mrežnjači detektuju svetlost kroz, na primer, hemijsku kaskadu izazvanu fotonima rodopsina.
- Hemijski detektori, kao što su fotografske ploče, u kojima je molekul srebrnog halogenida podeljen na atom metalnog srebra i atom halogena. Fotografski razvijač uzrokuje da se susedni molekuli podele na sličan način.
Polarizacija[uredi | uredi izvor]
- Fotorefraktivni efekat se koristi u holografskom skladištenju podataka.
- Fotodetektori osetljivi na polarizaciju koriste optički anizotropne materijale da detektuju fotone željene linearne polarizacije.[18]
Grafen/silicijumski fotodetektori[uredi | uredi izvor]
Pokazano je da silicijumska heterospojnica grafen/n-tipa pokazuje snažno ponašanje ispravljanja i visoku fotoodzivnost. Grafen je spojen sa silicijumskim kvantnim tačkama (Si QD) na vrhu masivnog Si da bi se formirao hibridni fotodetektor. Si QD izazivaju povećanje ugrađenog potencijala grafen/Si Šotkijevog spoja dok smanjuju optičku refleksiju fotodetektora. Električni i optički doprinosi Si QD-ova omogućavaju superiorne performanse fotodetektora.[19]
Frekventni opseg[uredi | uredi izvor]
In 2014 a technique for extending semiconductor-based photodetector's frequency range to longer, lower-energy wavelengths. Adding a light source to the device effectively "primed" the detector so that in the presence of long wavelengths, it fired on wavelengths that otherwise lacked the energy to do so.[20]
Reference[uredi | uredi izvor]
- ^ Haugan, H. J.; Elhamri, S.; Szmulowicz, F.; Ullrich, B.; Brown, G. J.; Mitchel, W. C. (2008). „Study of residual background carriers in midinfrared InAs/GaSb superlattices for uncooled detector operation”. Applied Physics Letters. 92 (7): 071102. Bibcode:2008ApPhL..92g1102H. S2CID 39187771. doi:10.1063/1.2884264.
- ^ a b Donati, S. „Photodetectors” (PDF). unipv.it. Prentice Hall. Pristupljeno 1. 6. 2016.
- ^ a b Yotter, R.A.; Wilson, D.M. (jun 2003). „A review of photodetectors for sensing light-emitting reporters in biological systems”. IEEE Sensors Journal. 3 (3): 288—303. Bibcode:2003ISenJ...3..288Y. doi:10.1109/JSEN.2003.814651.
- ^ Stöckmann, F. (maj 1975). „Photodetectors, their performance and their limitations”. Applied Physics. 7 (1): 1—5. Bibcode:1975ApPhy...7....1S. S2CID 121425624. doi:10.1007/BF00900511.
- ^ A. Grinberg, Anatoly; Luryi, Serge (1. 7. 1988). „Theory of the photon-drag effect in a two-dimensional electron gas”. Physical Review B. 38 (1): 87—96. Bibcode:1988PhRvB..38...87G. PMID 9945167. doi:10.1103/PhysRevB.38.87.
- ^ Bishop, P.; Gibson, A.; Kimmitt, M. (oktobar 1973). „The performance of photon-drag detectors at high laser intensities”. IEEE Journal of Quantum Electronics. 9 (10): 1007—1011. Bibcode:1973IJQE....9.1007B. doi:10.1109/JQE.1973.1077407.
- ^ Hu, Yue (1. 10. 2014). „Modeling sources of nonlinearity in a simple pin photodetector”. Journal of Lightwave Technology. 32 (20): 3710—3720. Bibcode:2014JLwT...32.3710H. CiteSeerX 10.1.1.670.2359
. S2CID 9882873. doi:10.1109/JLT.2014.2315740.
- ^ „Photo Detector Circuit”. oscience.info.
- ^ Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials, 2nd edition. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5. Arhivirano iz originala 17. 08. 2021. g. Pristupljeno 25. 12. 2022.
- ^ Paschotta, Dr. Rüdiger. „Encyclopedia of Laser Physics and Technology - photodetectors, photodiodes, phototransistors, pyroelectric photodetectors, array, powermeter, noise”. www.rp-photonics.com. Pristupljeno 2016-05-31.
- ^ „PDA10A(-EC) Si Amplified Fixed Gain Detector User Manual” (PDF). Thorlabs. Arhivirano iz originala (PDF) 06. 05. 2022. g. Pristupljeno 24. 4. 2018.
- ^ „DPD80 760nm Datasheet”. Resolved Instruments. Pristupljeno 24. 4. 2018.
- ^ Fossum, E. R.; Hondongwa, D. B. (2014). „A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors”. IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2 (3): 33—43. doi:10.1109/JEDS.2014.2306412 .
- ^ Knoll, G.F. (1999). Radiation Detection and Measurement (3rd izd.). Wiley. str. 365. ISBN 978-0-471-07338-3.
- ^ Carvalho, Matheus (2018). „Auto-HPGe, an autosampler for gamma-ray spectroscopy using high-purity germanium (HPGe) detectors and heavy shields”. HardwareX. 4: e00040. doi:10.1016/j.ohx.2018.e00040 .
- ^ „Silicon Drift Detectors” (PDF). tools.thermofisher.com. Thermo Scientific.
- ^ Enss, Christian, ur. (2005). Cryogenic Particle Detection. Springer, Topics in applied physics 99. ISBN 978-3-540-20113-7.
- ^ Yuan, Hongtao; Liu, Xiaoge; Afshinmanesh, Farzaneh; Li, Wei; Xu, Gang; Sun, Jie; Lian, Biao; Curto, Alberto G.; Ye, Guojun; Hikita, Yasuyuki; Shen, Zhixun; Zhang, Shou-Cheng; Chen, Xianhui; Brongersma, Mark; Hwang, Harold Y.; Cui, Yi (1. 6. 2015). „Polarization-sensitive broadband photodetector using a black phosphorus vertical p–n junction”. Nature Nanotechnology. 10 (8): 707—713. Bibcode:2015NatNa..10..707Y. PMID 26030655. arXiv:1409.4729 . doi:10.1038/nnano.2015.112.
- ^ Yu, Ting; Wang, Feng; Xu, Yang; Ma, Lingling; Pi, Xiaodong; Yang, Deren (2016). „Graphene Coupled with Silicon Quantum Dots for High-Performance Bulk-Silicon-Based Schottky-Junction Photodetectors”. Advanced Materials. 28 (24): 4912—4919. PMID 27061073. S2CID 205267070. doi:10.1002/adma.201506140.
- ^ Claycombe, Ann (2014-04-14). „Research finds "tunable" semiconductors will allow better detectors, solar cells”. Rdmag.com. Pristupljeno 2014-08-24.
Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]
Mediji vezani za članak Fotodetektor na Vikimedijinoj ostavi
| Državne | |
|---|---|
| Ostale | |
