Los fotodetectores , también llamados fotosensores , son sensores de luz u otra radiación electromagnética . [1] 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 utilizar una unión p-n que convierte los fotones en carga. Los fotones absorbidos forman pares electrón-hueco en la región de agotamiento. Los fotodiodos y los fototransistores son algunos ejemplos de fotodetectores. Las células solares convierten parte de la energía luminosa absorbida en energía eléctrica.
Clasificación
Los fotodetectores se pueden clasificar según su mecanismo de funcionamiento y estructura del dispositivo. Aquí están las clasificaciones comunes:
Basado en el mecanismo de operación.
Los fotodetectores pueden clasificarse según su mecanismo de detección: [2] [ ¿ fuente poco confiable? ] [3] [4]
Efecto fotoconductor: estos detectores funcionan cambiando su conductividad eléctrica cuando se exponen a la luz. La luz incidente genera pares de electrones-huecos en el material, alterando su conductividad. Los detectores fotoconductores suelen estar hechos de semiconductores. [5]
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 un gas.
Térmico: los fotones hacen que los electrones pasen a estados intermedios y luego se desintegren nuevamente a bandas inferiores, lo que induce la generación de fonones y, por lo tanto, calor.
Polarización : los fotones inducen cambios en los estados de polarización de 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 [6] [7] o cambios de presión de gas en las celdas de Golay .
Los fotodetectores se pueden utilizar en diferentes configuraciones. Los sensores individuales pueden detectar niveles generales de luz. Se puede utilizar una matriz unidimensional 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 utilizar una matriz bidimensional de fotodetectores como sensor de imagen para formar imágenes a partir del patrón de luz que tiene delante.
Un fotodetector o conjunto normalmente está cubierto por una ventana de iluminación, que a veces tiene un revestimiento antirreflectante .
Basado en la estructura del dispositivo
Según la estructura del dispositivo, los fotodetectores se pueden clasificar en las siguientes categorías:
Fotodetector MSM: un fotodetector de metal-semiconductor-metal (MSM) consta de una capa semiconductora intercalada entre dos electrodos metálicos. Los electrodos metálicos están interdigitados, formando una serie de dedos o rejillas alternas. La capa semiconductora suele estar hecha de materiales como silicio (Si), arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP) o seleniuro de antimonio (Sb 2 Se 3 ). [5] Se emplean varios métodos juntos para mejorar sus características, como manipular la estructura vertical, grabar, cambiar el sustrato y utilizar plasmónicos. [8] Los fotodetectores de seleniuro de antimonio muestran la mejor eficiencia posible.
Fotodiodos: Los fotodiodos son el tipo más común de fotodetectores. Son dispositivos semiconductores con unión PN. La luz incidente genera pares electrón-hueco en la región de agotamiento de la unión, produciendo una fotocorriente. Los fotodiodos se pueden clasificar además en: a. Fotodiodos PIN: estos fotodiodos tienen una región intrínseca (I) adicional entre las regiones P y N, que extiende la región de agotamiento y mejora el rendimiento del dispositivo. b. Fotodiodos Schottky: En los fotodiodos Schottky, se utiliza una unión metal-semiconductor en lugar de una unión PN. Ofrecen una respuesta de alta velocidad y se utilizan comúnmente en aplicaciones de alta frecuencia.
Fotodiodos de avalancha (APD): los APD son fotodiodos especializados que incorporan multiplicación de avalancha. Tienen una región de alto campo eléctrico cerca de la unión PN, lo que provoca ionización por impacto y produce pares electrón-hueco adicionales. Esta amplificación interna mejora la sensibilidad de detección. Los APD se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren alta sensibilidad, como imágenes con poca luz y comunicaciones ópticas de larga distancia. [9]
Fototransistores: Los fototransistores son transistores con una región de base sensible a la luz. La luz incidente provoca un cambio en la corriente de base, que controla la corriente del colector del transistor. Los fototransistores ofrecen amplificación y pueden usarse en aplicaciones que requieren tanto detección como amplificación de señal.
Dispositivos de carga acoplada (CCD): los CCD son sensores de imágenes compuestos por una serie de pequeños condensadores. La luz incidente genera carga en los condensadores, que se lee y procesa secuencialmente para formar una imagen. Los CCD se utilizan comúnmente en cámaras digitales y aplicaciones de imágenes científicas.
Sensores de imagen CMOS (CIS): Los sensores de imagen CMOS se basan en tecnología complementaria de semiconductores de óxido metálico (CMOS). Integran fotodetectores y circuitos de procesamiento de señales en un solo chip. Los sensores de imagen CMOS han ganado popularidad debido a su bajo consumo de energía, alta integración y compatibilidad con los procesos de fabricación CMOS estándar.
Tubos fotomultiplicadores (PMT): los PMT son fotodetectores basados en tubos de vacío. Consisten en un fotocátodo que emite electrones al iluminarse, seguido de una serie de dinodos que multiplican la corriente de electrones mediante emisión secundaria. Los PMT ofrecen alta sensibilidad y se utilizan en aplicaciones que requieren detección con poca luz, como experimentos de física de partículas y detectores de centelleo.
Estos son algunos de los fotodetectores comunes basados en la estructura del dispositivo. Cada tipo tiene sus propias características, ventajas y aplicaciones en diversos campos, incluidas las imágenes, las comunicaciones, la detección y la investigación científica.
Propiedades
Hay una serie de métricas de rendimiento, también llamadas cifras de mérito , mediante las cuales se caracterizan y comparan los fotodetectores [2] [3]
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 producción final.
Espectro de ruido: El voltaje o corriente del 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 [10]
Respuesta espectral: La respuesta de un fotodetector en función de la frecuencia de los fotones.
Subtipos
Agrupados por mecanismo, los fotodetectores incluyen los siguientes dispositivos:
Los detectores de placas de microcanales 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 dínodo .
Los detectores de radiación de telururo de cadmio y zinc pueden funcionar en modo de conversión directa (o fotoconductor) a temperatura ambiente, a diferencia de otros materiales (particularmente el germanio) que requieren enfriamiento con nitrógeno líquido. Sus ventajas relativas incluyen una alta sensibilidad a los rayos X y gamma, debido a los altos números atómicos de Cd y Te, y una mejor resolución energética que los detectores de centelleo.
Detectores infrarrojos de HgCdTe . La detección se produce cuando un fotón infrarrojo de suficiente energía lanza un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Un electrón de este tipo se recoge mediante un circuito integrado de lectura externo adecuado (ROIC) y se transforma en una señal eléctrica.
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. [11]
Fotodiodos que pueden funcionar en modo fotovoltaico o en modo fotoconductor . [12] [13] Los fotodiodos a menudo se combinan con componentes electrónicos analógicos de bajo ruido para convertir la fotocorriente en un voltaje que se puede digitalizar . [14] [15]
Los bolómetros miden la potencia de la radiación electromagnética incidente mediante el calentamiento de un material con una resistencia eléctrica que depende de la temperatura. Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro que se utiliza como detector en una cámara térmica .
Los detectores piroeléctricos detectan fotones a través del calor que generan y el posterior voltaje generado en los materiales piroeléctricos.
Las termopilas detectan la radiación electromagnética a través del calor, generando luego un voltaje en termopares .
Las células de 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.
Se ha demostrado que una heterounión grafeno/silicio de tipo n exhibe un fuerte comportamiento rectificador y una alta fotorresponsividad. El grafeno se combina con puntos cuánticos de silicio (Si QD) sobre Si a granel para formar un fotodetector híbrido. Los QD de Si provocan un aumento del potencial incorporado de la unión Schottky de grafeno/Si al tiempo que reducen la reflexión óptica del fotodetector. Tanto las contribuciones eléctricas como ópticas de los QD de Si permiten un rendimiento superior del fotodetector. [20]
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enlaces externos
Medios relacionados con sensores ópticos en Wikimedia Commons