6.6: Фотоприймачі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 29507

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Види фотоприймачів

Фотоприймачі - це датчики, що використовуються для перетворення світла, на оптичних або інших близьких частотах, в електрику. Одним із способів класифікації фотоприймачів є їх тип активного матеріалу, який може бути твердим тілом або газом. Перший тип детекторів - напівпровідникові фотоприймачі, виготовлені з твердого напівпровідника на переходах. Вибір напівпровідника впливає на довжини хвиль світла, які можуть бути поглинені, оскільки можуть бути поглинені лише фотони з енергією, більшою або рівною енергетичному розриву напівпровідника. Наприклад, кремній має енергетичний проміжок 1,11 еВ, тому він здатний поглинати фотони як у видимому діапазоні 1,9 еВ\(< E <\) 3,1 еВ, так і фотони в ближньому інфрачервоному діапазоні 1,1 еВ\(< E <\) 1,9 еВ. У деяких напівпровідникових фотоприймачах між матеріалом p-типу та матеріалом n-типу на стику додається тонкий внутрішній (нелегований) шар. У цих напівпровідникових фотоприймачах p-i-n переходу доданий шар розширює шар виснаження. Це також зменшує внутрішню ємність переходу, тим самим збільшуючи час спрацьовування датчика [10, с. 660]. Другий тип детекторів виготовляється з газонаповнених вакуумних трубок, і ці детектори називаються фототрубками [10, с. 646]. Напруга розміщується на електродах в трубках. Коли світло світить на фототрубці, енергія з фотона світла може зірвати електрон з атома газу. Електрон і іон течуть до електродів, тим самим виробляючи електрику. Найпоширенішим типом фототрубки є фотомультиплікаторна трубка. Цей пристрій має кілька електродів, і при попаданні електрона на один з цих електродів виділяються додаткові електрони. Ці електрони можуть вражати додаткові електроди, щоб виробляти ще більше електронів. Оскільки кожен вхідний фотон виробляє каскад електронів, фотомультиплікаторні трубки мають високе внутрішнє посилення.

Інший спосіб класифікації фотоприймачів залежить від того, чи є у вхідних фотонів достатньо енергії, щоб зривати електрони або просто порушувати їх. Перший тип детекторів називають фотоелектричними детекторами, і вони працюють на основі процесу, який називається фотоелектричним випромінюванням [10, с. 645] [27, с. 171]. У цих детекторах вхідне світло має енергію, більшу або рівну енергії від валентної зони до рівня землі у верхній частині діаграми енергетичного рівня. Ці детектори перетворюють світло в електрику, оскільки вхідні фотони світла зривають електрони від своїх атомів, а потік одержуваних електронів є струмом. Другий тип детекторів називають фотопровідними детекторами або іноді фотоелектричними детекторами, і вони працюють на основі процесу, який називається фотопровідністю [10, с. 647]. У цих детекторах вхідне світло має енергію, рівну різниці між валентною і провідною смугами, недостатньо для зривання електронів. Ці детектори перетворюють світло в електрику, оскільки вхідні фотони збуджують електрони, а провідність детектора вища, коли світло світить на нього. Тверді напівпровідникові фотоприймачі можуть працювати на основі фотоелектричного випромінювання або фотопровідності, але більшість працюють на основі фотопровідності. Фототрубки зазвичай працюють на основі фотоелектричного випромінювання.

Деякі фотоприймачі мають один елемент, а інші зроблені з масиву елементів. Цифрова камера може містити мільйони окремих фотоприймачів. Ці елементи інтегровані з пристроєм із зарядним зв'язком (ПЗС), який є схемотехнікою для послідовної передачі електричного виходу кожного фотоприймача масиву [9, с. 359]. ПЗС був винайдений в 1969 році Віллард Бойл і Джордж Сміт. За цей винахід вони розділили Нобелівську премію з фізики 2009 року з Чарльзом Као, який був удостоєний премії за роботу над оптичними волокнами [80].

Очі у тварин є фотоприймачами. Сітківка людського ока являє собою масив, що складається з близько 120 мільйонів стрижневих клітин і 6-7 мільйонів клітин конуса [81]. Ці клітини перетворюють світло в електричні імпульси, які посилаються в мозок.

Заходи фотоприймачів

Частотна характеристика є одним з найважливіших заходів фотоприймача. Часто він будується проти довжини хвилі або енергії фотонів замість частоти. Фотоприймач чутливий лише в межах певного діапазону довжин хвиль, а частотна характеристика часто не плоска.

Як і у всіх типів датчиків, відношення сигнал/шум є ще одним важливим заходом. Хоча фотоприймачі мають багато джерел шуму, одним з основних джерел є тепловий шум, обумовлений випадковим рухом зарядів при їх протіканні через тверде тіло [9, с. 220]. Для пом'якшення теплового шуму в фотоприймачах, використовуваних для виявлення дуже слабких сигналів, детектори охолоджуються термоелектричними пристроями або за допомогою рідкого азоту. Міра, пов'язана із співвідношенням сигнал/шум, є еквівалентна потужність шуму. Він визначається як оптична потужність у ватах, яка виробляє відношення сигнал/шум одиниці [82].

Ще однією мірою фотоприймача є детективність, що позначається\(D*\), в одиницях\(\frac{cm \cdot (Hz^{1/2} )}{W}\). Це міра сили виходу, припускаючи оптичний вхід на один ват. За визначенням, вона дорівнює квадратному кореню площі датчика разів розглянутої смуги пропускання, поділеної на шумовий еквівалент потужності [82] [83, с. 654].

\[D* = \frac{\sqrt{\text{Area} \cdot \text{Bandwidth}}}{\text{Noise Equivalent Power}} \nonumber \]

\(\PageIndex{1}\)На малюнку показана детективність проти довжини хвилі для оптичних детекторів, виготовлених з різних напівпровідників.

Фотоприймачі також характеризуються часом відгуку. Час відгуку визначається як час, необхідний фотоприймачу для реагування на ступінчастий оптичний вхід [82]. Типовий час відгуку може варіюватися від пікосекунд до мілісекунд [83, с. 656]. Може існувати компроміс між часом відгуку і чутливістю, тому деякі детектори призначені для швидкої роботи, а інші призначені для більш високої чутливості [9, с. 220].

6.6.1.png — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Спектральний відгук різноманітних фотоприймачів. Ця цифра використовується з дозволу Хамамацу [82].