Fotodetector - Photodetector
Los fotodetectores , también llamados fotosensores , son sensores de luz u otra radiación electromagnética . Existe una amplia variedad de fotodetectores que pueden clasificarse por mecanismo de detección, como efectos fotoeléctricos o fotoquímicos, o por diversas métricas de rendimiento, como la respuesta espectral. Los fotodetectores basados en semiconductores suelen tener una unión p – n que convierte los fotones de luz en corriente. Los fotones absorbidos forman pares de electrones y huecos en la región de agotamiento . Los fotodiodos y fototransistores son algunos ejemplos de fotodetectores. Las células solares convierten parte de la energía luminosa absorbida en energía eléctrica.
Tipos
Los fotodetectores pueden clasificarse según su mecanismo de detección:
- Fotoemisión o efecto fotoeléctrico: los fotones hacen que los electrones pasen de la banda de conducción de un material a electrones libres en el vacío o en el gas.
- Térmico: los fotones hacen que los electrones pasen a estados de intervalo medio y luego se desintegran a bandas inferiores, lo que induce la generación de fonones y, por lo tanto, el calor.
- Polarización : los fotones inducen cambios en los estados de polarización de los materiales adecuados, lo que puede provocar cambios en el índice de refracción u otros efectos de polarización.
- Fotoquímico: los fotones inducen un cambio químico en un material.
- Efectos de interacción débil: los fotones inducen efectos secundarios como en los detectores de arrastre de fotones o cambios de presión de gas en las células Golay .
Los fotodetectores se pueden utilizar en diferentes configuraciones. Los sensores individuales pueden detectar niveles generales de luz. Se puede usar una matriz 1-D de fotodetectores, como en un espectrofotómetro o un escáner de línea , para medir la distribución de la luz a lo largo de una línea. Se puede usar una matriz 2-D de fotodetectores como sensor de imagen para formar imágenes a partir del patrón de luz que tiene ante sí.
Un fotodetector o matriz suele estar cubierto por una ventana de iluminación, que a veces tiene un revestimiento antirreflectante .
Propiedades
Hay una serie de métricas de rendimiento, también llamadas cifras de mérito , mediante las cuales se caracterizan y comparan los fotodetectores.
- Respuesta espectral: La respuesta de un fotodetector en función de la frecuencia de los fotones.
- Eficiencia cuántica : el número de portadores (electrones o huecos ) generados por fotón.
- Responsividad : La corriente de salida dividida por la potencia de luz total que cae sobre el fotodetector.
- Potencia equivalente al ruido : la cantidad de potencia luminosa necesaria para generar una señal de tamaño comparable al ruido del dispositivo.
- Detectividad : la raíz cuadrada del área del detector dividida por la potencia equivalente de ruido.
- Ganancia: La corriente de salida de un fotodetector dividida por la corriente producida directamente por los fotones que inciden en los detectores, es decir, la ganancia de corriente incorporada .
- Corriente oscura : la corriente que fluye a través de un fotodetector incluso en ausencia de luz.
- Tiempo de respuesta : el tiempo necesario para que un fotodetector pase del 10% al 90% de la salida final.
- Espectro de ruido: voltaje o corriente de ruido intrínseco en función de la frecuencia. Esto se puede representar en forma de densidad espectral de ruido .
- No linealidad: la salida de RF está limitada por la no linealidad del fotodetector
Dispositivos
Agrupados por mecanismo, los fotodetectores incluyen los siguientes dispositivos:
Fotoemisión o fotoeléctrica
- Los detectores de ionización gaseosa se utilizan en física de partículas experimental para detectar fotones y partículas con energía suficiente para ionizar átomos o moléculas de gas. Los electrones e iones generados por ionización provocan un flujo de corriente que puede medirse.
- Tubos fotomultiplicadores que contienen un fotocátodo que emite electrones cuando se ilumina, los electrones son luego amplificados por una cadena de dinodos .
- Fototubos que contienen un fotocátodo que emite electrones cuando se ilumina, de modo que el tubo conduce una corriente proporcional a la intensidad de la luz .
- Los detectores de placa de microcanal utilizan un sustrato de vidrio poroso como mecanismo para multiplicar electrones. Se pueden usar en combinación con un fotocátodo como el fotomultiplicador descrito anteriormente, con el sustrato de vidrio poroso actuando como una etapa de dinodo.
Semiconductor
- Los sensores de píxeles activos (APS) son sensores de imagen . Por lo general, fabricados en un proceso complementario de semiconductores de óxido de metal (CMOS) y también conocidos como sensores de imagen CMOS, los APS se utilizan comúnmente en cámaras de teléfonos móviles, cámaras web y algunas DSLR .
- Los detectores de radiación de telururo de cadmio y zinc pueden operar en modo de conversión directa (o fotoconductora) a temperatura ambiente, a diferencia de otros materiales (particularmente el germanio) que requieren enfriamiento con nitrógeno líquido. Sus ventajas relativas incluyen una alta sensibilidad para los rayos X y los rayos gamma, debido a los altos números atómicos de Cd y Te, y una mejor resolución energética que los detectores de centelleo.
- Los dispositivos de carga acoplada (CCD) son sensores de imagen que se utilizan para registrar imágenes en astronomía , fotografía digital y cinematografía digital . Antes de la década de 1990, las placas fotográficas eran más comunes en astronomía. La próxima generación de instrumentos astronómicos, como el Astro-E2 , incluye detectores criogénicos .
- Detectores de infrarrojos HgCdTe . La detección ocurre cuando un fotón infrarrojo de energía suficiente empuja a un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un electrón de este tipo es recogido por un circuito integrado de lectura externa adecuado (ROIC) y transformado en una señal eléctrica.
- LED que tienen polarización inversa para actuar como fotodiodos. Vea los LED como sensores de luz de fotodiodo .
- Fotorresistores o resistencias dependientes de la luz (LDR) que cambian la resistencia según la intensidad de la luz . Normalmente, la resistencia de los LDR disminuye al aumentar la intensidad de la luz que incide sobre ellos.
- Fotodiodos que pueden funcionar en modo fotovoltaico o fotoconductor . Los fotodiodos a menudo se combinan con electrónica analógica de bajo ruido para convertir la fotocorriente en un voltaje que se puede digitalizar .
- Fototransistores , que actúan como fotodiodos amplificadores.
- Fotodiodos fijados , una estructura de fotodetector con bajo retraso , bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente de oscuridad , ampliamente utilizada en la mayoría de los sensores de imagen CCD y CMOS.
- Fotoconductores o fotodiodos de puntos cuánticos , que pueden manejar longitudes de onda en las regiones espectrales visible e infrarroja.
- Los detectores de semiconductores se emplean en espectrometría de rayos gamma y de rayos X y como detectores de partículas.
- Los detectores de deriva de silicio (SDD) son detectores de radiación de rayos X que se utilizan en espectrometría de rayos X (EDS) y microscopía electrónica (EDX).
Fotovoltaica
- Células fotovoltaicas o células solares que producen un voltaje y suministran una corriente eléctrica cuando la luz solar o cierto tipo de luz incide sobre ellas.
Térmico
- Los bolómetros miden la potencia de la radiación electromagnética incidente mediante el calentamiento de un material con una resistencia eléctrica dependiente de la temperatura. Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro que se utiliza como detector en una cámara térmica .
- Los detectores criogénicos son lo suficientemente sensibles para medir la energía de fotones de rayos X individuales , visibles e infrarrojos .
- Los detectores piroeléctricos detectan fotones a través del calor que generan y el consiguiente voltaje generado en los materiales piroeléctricos.
- Las termopilas detectan la radiación electromagnética a través del calor y luego generan un voltaje en los termopares .
- Las células Golay detectan fotones por el calor que generan en una cámara llena de gas, lo que hace que el gas se expanda y deforme una membrana flexible cuya deflexión se mide.
Fotoquímico
- Las células fotorreceptoras de la retina detectan la luz, por ejemplo, a través de una cascada química inducida por fotones de rodopsina .
- Detectores químicos, como placas fotográficas , en los que una molécula de haluro de plata se divide en un átomo de plata metálica y un átomo de halógeno. El revelador fotográfico hace que las moléculas adyacentes se dividan de manera similar.
Polarización
- El efecto fotorrefractivo se utiliza en el almacenamiento de datos holográficos .
- Los fotodetectores sensibles a la polarización utilizan materiales ópticamente anisotrópicos para detectar fotones de una polarización lineal deseada .
Fotodetectores de grafeno / silicio
Se ha demostrado que una heterounión grafeno / silicio de tipo n exhibe un fuerte comportamiento rectificador y una alta fotorreactividad. El grafeno se acopla con puntos cuánticos de silicio (Si QD) en la parte superior del Si a granel para formar un fotodetector híbrido. Los Si QD provocan un aumento del potencial incorporado de la unión grafeno / Si Schottky al tiempo que reducen la reflexión óptica del fotodetector. Tanto las contribuciones eléctricas como ópticas de los Si QD permiten un rendimiento superior del fotodetector.
Rango de frecuencia
En 2014, una técnica para extender el rango de frecuencia del fotodetector basado en semiconductores a longitudes de onda más largas y de menor energía. La adición de una fuente de luz al dispositivo "cebaba" efectivamente el detector para que, en presencia de longitudes de onda largas, disparara en longitudes de onda que de otra manera carecían de la energía para hacerlo.
Ver también
- Sistema de control de iluminación
- Lista de sensores
- Optoelectrónica
- Sensor fotoeléctrico
- Fotosensibilidad
- Circuito integrado de lectura
Referencias
enlaces externos
-
Medios relacionados con sensores ópticos en Wikimedia Commons - Características de los fotodetectores I – V
- Fundamentos de la fotónica: módulo sobre detectores ópticos y visión humana
