Фотодетектор

Фотодетектор — это устройство, преобразующее энергию электромагнитного излучения (в том числе видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучения) в электрический сигнал, пригодный для регистрации, измерения или управления. Фотодетекторы являются ключевым компонентом систем оптической связи, автоматики, научных приборов, бытовой электроники и военной техники. В зависимости от принципа действия, фотодетекторы делятся на фотоэмиссионные, фотопроводниковые, фотоэлектрические и тепловые.

История

Первые наблюдения фотоэлектрического эффекта относятся к XIX веку. В 1839 году Александр Беккерель открыл фотоэффект в электролитах, а в 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводимость селена. В 1887 году Генрих Герц экспериментально подтвердил влияние ультрафиолетового света на электрический разряд, что позже было объяснено Альбертом Эйнштейном в 1905 году (фотоэлектрический эффект). Первый практически применимый фотодетектор — селеновый фотоэлемент — был создан в конце XIX века и использовался в фотоэкспонометрах.

В 1940-х годах развитие полупроводниковой технологии привело к созданию кремниевых и германиевых фотодиодов. В 1950-х годах появились фототранзисторы, а в 1960-х — лавинные фотодиоды и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Современные фотодетекторы на основе наноматериалов (квантовые точки, графен) и гетероструктур (например, InGaAs) обеспечивают высокую чувствительность в широком диапазоне длин волн.

Классификация

Фотодетекторы классифицируют по нескольким признакам:

По типу преобразования излучения

• Фотоэмиссионные — основаны на внешнем фотоэффекте: фотоны выбивают электроны с поверхности катода (фотоэлектронные умножители, вакуумные фотоэлементы).
• Фотопроводниковые — изменяют свою проводимость под действием света (фоторезисторы на основе сульфида кадмия, свинца, селена).
• Фотоэлектрические — генерируют напряжение или ток при освещении p-n-перехода (фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы).
• Тепловые — регистрируют нагрев от поглощённого излучения (болометры, термопары, пироэлектрические детекторы).

По спектральному диапазону

• Ультрафиолетовые (10–400 нм) — на основе GaN, SiC, алмаза.
• Видимого света (400–700 нм) — кремниевые фотодиоды, фоторезисторы.
• Инфракрасные (0,7–1000 мкм) — на основе InGaAs, PbS, HgCdTe, микроболометры.
• Рентгеновские и гамма — сцинтилляционные детекторы, полупроводниковые (CdTe, CZT).

По конструктивному исполнению

• Дискретные — отдельные компоненты (фотодиод, фототранзистор).
• Интегральные — матрицы (ПЗС, КМОП-сенсоры) и фотоприёмные модули.
• Оптоволоконные — встроенные в волоконно-оптические линии связи.

Принцип действия

Основой работы большинства современных фотодетекторов является внутренний фотоэффект в полупроводниках. При поглощении фотона с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны материала, в зоне проводимости возникает электронно-дырочная пара. В фотодиоде с p-n-переходом эти носители разделяются электрическим полем, создавая фототок. В лавинном фотодиоде процесс лавинного умножения усиливает сигнал в десятки и сотни раз. В фототранзисторе фототок управляет током коллектора, обеспечивая усиление.

Тепловые детекторы (например, болометры) работают на принципе изменения сопротивления или других свойств материала при нагреве. Пироэлектрические детекторы используют изменение спонтанной поляризации кристалла при изменении температуры.

Характеристики

Основные параметры фотодетекторов:

• Спектральная чувствительность — зависимость фототока от длины волны излучения.
• Квантовая эффективность — отношение числа собранных носителей к числу падающих фотонов.
• Токовая чувствительность — отношение фототока к мощности падающего излучения (А/Вт).
• Тёмновой ток — ток при отсутствии освещения.
• Быстродействие — время нарастания/спада сигнала (обычно в нано- или пикосекундах).
• Пороговая чувствительность — минимальная регистрируемая мощность излучения.
• Шумовые характеристики — дробовой, тепловой и фликкер-шум.

Применение

Фотодетекторы используются в широком спектре областей:

• Оптическая связь — приёмники в волоконно-оптических линиях (лавинные фотодиоды, PIN-фотодиоды).
• Фотоника и лазерная техника — измерение мощности лазеров, синхронизация.
• Медицина — пульсоксиметры, анализаторы крови, оптические томографы.
• Промышленность — датчики положения, контроля пламени, счётчики продукции.
• Научные исследования — спектроскопия, астрономия (ПЗС-матрицы в телескопах), физика высоких энергий.
• Бытовая электроника — камеры смартфонов, системы автоматического управления освещением, пульты дистанционного управления.
• Военная техника — системы наведения, тепловизоры, приборы ночного видения.
• Энергетика — солнечные батареи, контроль солнечного излучения.

Примеры

• Кремниевый фотодиод — наиболее распространённый тип для видимого и ближнего ИК-диапазона.
• Фоторезистор на основе сульфида кадмия (CdS) — используется в датчиках освещённости (например, в уличных фонарях).
• Лавинный фотодиод (APD) — применяется в системах оптической связи с большими расстояниями.
• ПЗС-матрица — основа цифровых камер и астрономических приборов.
• Микроболометр — неохлаждаемый ИК-детектор для тепловизоров.
• Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — используется в сцинтилляционных детекторах и научных измерениях слабых световых потоков.

Интересные факты

• Первый в мире фотодетектор — селеновый фотоэлемент — был создан в 1876 году, но его КПД не превышал 1 %.
• В 1969 году компания Bell Labs (организация зарегистрирована в США, не является запрещённой в РФ) разработала ПЗС-матрицу, за что её изобретатели Уиллард Бойл и Джордж Смит получили Нобелевскую премию по физике в 2009 году.
• Современные лавинные фотодиоды способны регистрировать одиночные фотоны (режим счёта фотонов).
• В России и странах СНГ фотодетекторы производятся на предприятиях, таких как НПП «Пульсар» (Москва), АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха» и другие.

Критика и ограничения

Основные недостатки фотодетекторов включают зависимость характеристик от температуры (особенно у ИК-детекторов), ограниченный спектральный диапазон каждого типа, а также шумы, снижающие чувствительность при слабых сигналах. Для инфракрасных детекторов часто требуется криогенное охлаждение, что увеличивает стоимость и сложность систем. В полупроводниковых детекторах со временем может наблюдаться деградация параметров из-за радиационного воздействия.

Источники

• Справочник по фотоэлектронным приборам / Под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1984.
• Роуз А. Основы теории фотопроводимости. — М.: Мир, 1966.
• Физика полупроводниковых фотоприёмников / Под ред. В. Н. Верцнера. — М.: Наука, 1984.
• Sze S. M., Ng K. K. Physics of Semiconductor Devices. — 3rd ed. — Wiley, 2007.
• Rieke G. Detection of Light: From the Ultraviolet to the Submillimeter. — Cambridge University Press, 2003.
• ГОСТ 17772-88 «Приёмники излучения полупроводниковые фотоэлектрические. Термины и определения».