Фотоприёмник

Фотоприёмник — это электронный прибор или устройство, предназначенное для преобразования энергии оптического излучения (света) в электрический сигнал. Фотоприёмники являются ключевым элементом систем оптической связи, оптоэлектроники, измерительной техники и автоматики. В зависимости от физического принципа действия, они делятся на фотоэлектронные, фотогальванические, фоторезистивные и фотонные (квантовые). Основными характеристиками фотоприёмника являются спектральная чувствительность, быстродействие, пороговая чувствительность (способность регистрировать слабые сигналы) и уровень собственных шумов.

История

Первые научные наблюдения фотоэлектрического эффекта относятся к концу XIX века. В 1887 году Генрих Герц обнаружил, что облучение ультрафиолетом облегчает возникновение искрового разряда. В 1888 году Александр Столетов создал первый фотоэлемент — вакуумный прибор, в котором свет выбивал электроны из катода. Этот эффект (внешний фотоэффект) лёг в основу первых фотоприёмников — фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и вакуумных фотоэлементов, которые активно использовались в первой половине XX века для звукозаписи, телевидения и научных измерений.

В 1940-х годах были открыты полупроводниковые фотоэффекты. Развитие технологии германиевых и кремниевых диодов привело к созданию фотодиодов — компактных, надёжных и экономичных приёмников. В 1950-х годах появились фототранзисторы, а в 1960-х — лавинные фотодиоды, обладающие внутренним усилением сигнала. С изобретением лазеров в 1960-х годах потребность в быстрых и чувствительных фотоприёмниках резко возросла, что стимулировало разработку pin-фотодиодов и фотоприёмников на основе гетероструктур.

В конце XX — начале XXI века развитие волоконно-оптических линий связи привело к созданию интегральных фотоприёмников, совмещающих фотодиод и предварительный усилитель на одном кристалле. Параллельно совершенствовались матричные приёмники (ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры), ставшие основой цифровой фотографии и видеотехники.

Классификация

Фотоприёмники классифицируются по нескольким признакам.

По физическому принципу действия

• Фотоэлектронные (внешний фотоэффект): основаны на эмиссии электронов под действием света. К ним относятся вакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Отличаются высоким усилением и чувствительностью, но требуют высокого напряжения и имеют большие габариты.
• Полупроводниковые (внутренний фотоэффект): основаны на изменении электрических свойств полупроводника при поглощении света. Делятся на:
• Фоторезисторы: изменяют своё сопротивление под действием света. Обладают высокой чувствительностью, но малым быстродействием.
• Фотодиоды: генерируют ток или напряжение при освещении. Основной тип современных фотоприёмников.
• Фототранзисторы: фотодиод с встроенным усилителем на транзисторе. Обеспечивают высокий коэффициент усиления.
• Фототиристоры: управляемые светом полупроводниковые ключи.
• Фотонные (квантовые): регистрируют отдельные фотоны. К ним относятся однофотонные лавинные фотодиоды (SPAD), сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) и фотоумножители на основе микроканальных пластин. Используются в квантовой оптике и криптографии.

По спектральному диапазону

• Ультрафиолетовые (УФ): чувствительны к излучению с длиной волны от 10 до 400 нм. Изготавливаются из нитрида галлия (GaN), карбида кремния (SiC) или алмаза.
• Видимого диапазона: 400–700 нм. Основной материал — кремний (Si).
• Инфракрасные (ИК): делятся на ближний ИК (0,7–2,5 мкм, германий, InGaAs), средний ИК (3–5 мкм, InSb, HgCdTe) и дальний ИК (8–14 мкм, HgCdTe, микроболометры). Используются в тепловизорах и системах ночного видения.

По конструктивному исполнению

• Дискретные: отдельные компоненты (фотодиод, фототранзистор).
• Интегральные: фотодиод и усилитель на одном кристалле (например, оптопары, фотоприёмные модули для ВОЛС).
• Матричные: двумерные массивы фотодиодов (ПЗС, КМОП-сенсоры).

Устройство и принцип действия

Основой большинства современных фотоприёмников является p-n-переход или гетеропереход в полупроводнике. Принцип действия фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте: фотон с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника, поглощается, создавая электронно-дырочную пару. В области p-n-перехода эти носители разделяются внутренним электрическим полем, что приводит к возникновению фототока.

В pin-фотодиоде между p- и n-областями находится слой собственного (i) полупроводника, что увеличивает область поглощения света и повышает быстродействие. В лавинном фотодиоде (ЛФД) используется эффект ударной ионизации: при высоком обратном напряжении первичные носители разгоняются и создают лавину вторичных носителей, обеспечивая внутреннее усиление сигнала (коэффициент умножения до 100–1000).

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) состоит из фотокатода, системы динодов (электродов) и анода. Фотон выбивает электрон из фотокатода, который ускоряется электрическим полем и выбивает несколько вторичных электронов из первого динода. Процесс повторяется на каждом последующем диноде, обеспечивая усиление в миллионы раз.

Характеристики

Основные параметры фотоприёмников:

• Спектральная чувствительность (А/Вт или В/Вт) — отношение выходного сигнала к мощности падающего излучения на данной длине волны.
• Квантовая эффективность — отношение числа собранных носителей к числу падающих фотонов.
• Темновой ток — ток, протекающий через фотоприёмник в отсутствие освещения. Определяет уровень шума.
• Быстродействие (время нарастания/спада сигнала, частота среза) — способность реагировать на быстрые изменения интенсивности света.
• Пороговая чувствительность (или обнаружительная способность D*) — минимальная мощность излучения, которую можно зарегистрировать при заданном соотношении сигнал/шум.
• Линейность — диапазон мощностей, в котором выходной сигнал пропорционален входному.

Применение

Фотоприёмники используются в самых разных областях:

• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС): pin-фотодиоды и лавинные фотодиоды (InGaAs) для приёма сигналов на длинах волн 1,31 и 1,55 мкм.
• Оптоэлектроника: оптопары, датчики положения, считыватели штрих-кодов.
• Цифровая фотография и видеотехника: ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры.
• Научные исследования: спектроскопия, астрономия (ФЭУ, ПЗС-матрицы с охлаждением), детекторы элементарных частиц.
• Медицина: пульсоксиметры, анализаторы крови, приборы для оптической когерентной томографии.
• Военная техника и безопасность: тепловизоры (микроболометры, InSb), приборы ночного видения, лазерные дальномеры, системы наведения.
• Автоматика и робототехника: датчики освещённости, оптические барьеры, системы технического зрения.

Интересные факты

• Первый полупроводниковый фотодиод был создан в 1941 году в лаборатории Bell Labs на основе германия.
• Самый чувствительный фотоприёмник — фотоэлектронный умножитель — способен регистрировать единичные фотоны.
• В ПЗС-матрицах, используемых в астрономии, для снижения темнового тока применяется глубокое охлаждение жидким азотом до температур −100 °C и ниже.
• Кремниевые фотодиоды практически нечувствительны к инфракрасному излучению с длиной волны более 1,1 мкм, что ограничивает их применение в оптоволоконной связи, где используются длины волн 1,3 и 1,55 мкм.

Источники

1. Росс М. — «Фотоприёмники для оптических систем связи». — М.: Мир, 1992.
2. Смит Р. — «Полупроводниковые приборы». — М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. Зи С. — «Физика полупроводниковых приборов». — М.: Мир, 1984.
4. Большая советская энциклопедия, статья «Фотоприёмник».
5. Материалы научно-технических журналов: «Фотоника», «Квантовая электроника».