Fotodetector

Sensores de luz u otra energía electromagnética

Un fotodetector rescatado de una unidad de CD-ROM . El fotodetector contiene tres fotodiodos , visibles en la fotografía (en el centro).

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 la estructura del dispositivo. Estas son las clasificaciones más comunes:

Basado en el mecanismo de funcionamiento

Un fotodetector amplificado comercial para uso en investigación óptica

Los fotodetectores se pueden clasificar según su mecanismo de detección: ^{[2] [ ¿ fuente poco confiable? ] [3] [4]}

• Efecto fotoconductor: estos detectores funcionan modificando su conductividad eléctrica cuando se exponen a la luz. La luz incidente genera pares electrón-hueco 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 de intervalo medio y luego se desintegran nuevamente en 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 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 ^{[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 lineal , para medir la distribución de la luz a lo largo de una línea. Se puede utilizar una matriz bidimensional de fotodetectores como sensor de imágenes 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:

1. Fotodetector MSM: Un fotodetector metal-semiconductor-metal (MSM) consiste en una capa semiconductora intercalada entre dos electrodos metálicos. Los electrodos metálicos están interdigitados, formando una serie de dedos o rejillas alternadas. La capa semiconductora está hecha típicamente 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 plasmónica. ^[8] La mejor eficiencia alcanzable la muestran los fotodetectores de seleniuro de antimonio.
2. Fotodiodos: Los fotodiodos son el tipo más común de fotodetectores. Son dispositivos semiconductores con una 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 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.
3. Fotodiodos de avalancha (APD): los APD son fotodiodos especializados que incorporan la multiplicación de avalancha. Tienen una región de alto campo eléctrico cerca de la unión PN, 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 la obtención de imágenes con poca luz y la comunicación óptica a larga distancia. ^[9]
4. 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 utilizarse en aplicaciones que requieren tanto detección como amplificación de señales.
5. Dispositivos acoplados por carga (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.
6. Sensores de imagen CMOS (CIS): Los sensores de imagen CMOS se basan en la tecnología de semiconductores de óxido metálico complementarios (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.
7. Tubos fotomultiplicadores (PMT): Los PMT son fotodetectores basados ​​en tubos de vacío. Consisten en un fotocátodo que emite electrones cuando se ilumina, seguido de una serie de dinodos que multiplican la corriente de electrones mediante emisión secundaria. Los PMT ofrecen una 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 más comunes según la estructura del dispositivo. Cada tipo tiene sus propias características, ventajas y aplicaciones en diversos campos, como la obtención de imágenes, la comunicación, 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]}

• Eficiencia cuántica : Número de portadores (electrones o huecos ) generados por fotón.
• Capacidad de respuesta : la corriente de salida dividida por la potencia luminosa total que incide sobre el fotodetector.
• Potencia equivalente al ruido : la cantidad de potencia luminosa necesaria para generar una señal comparable en tamaño al ruido del dispositivo.
• Detectividad : La raíz cuadrada del área del detector dividida por la potencia equivalente del ruido.
• Ganancia: La corriente de salida de un fotodetector dividida por la corriente producida directamente por los fotones incidentes 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 que necesita un fotodetector para pasar del 10% al 90% de la salida final.
• Espectro de ruido: el voltaje o la 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 ^[10]
• Respuesta espectral: La respuesta de un fotodetector en función de la frecuencia del fotón.

Subtipos

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 se puede medir.
• Tubos fotomultiplicadores que contienen un fotocátodo que emite electrones cuando se ilumina, los electrones son luego amplificados por una cadena de dínodos .
• 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 placas de microcanales utilizan un sustrato de vidrio poroso como mecanismo para multiplicar electrones. Se pueden utilizar en combinación con un fotocátodo como el fotomultiplicador descrito anteriormente, donde el sustrato de vidrio poroso actúa como una etapa de dinodo .

Semiconductor

• Los sensores de píxeles activos (APS) son sensores de imagen . Generalmente fabricados mediante un proceso de metal-óxido-semiconductor complementario (CMOS), y también conocidos como sensores de imagen CMOS, los APS se utilizan comúnmente en cámaras de teléfonos celulares, cámaras web y algunas DSLR .
• 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 (en particular el germanio) que requieren refrigeración con nitrógeno líquido. Entre sus ventajas relativas se 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.
• Los dispositivos acoplados por carga (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 lo más común en astronomía. La próxima generación de instrumentos astronómicos, como el Astro-E2 , incluye detectores criogénicos . ^{[ necesita actualización ]}
• Detectores infrarrojos de HgCdTe . La detección se produce cuando un fotón infrarrojo de suficiente energía expulsa un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Dicho electrón es recogido por un circuito integrado de lectura externa (ROIC) adecuado y transformado en una señal eléctrica.
• LED que tienen polarización inversa para actuar como fotodiodos. Ver LED como sensores de luz de fotodiodo .
• Fotorresistencias o resistencias dependientes de la luz (LDR) cuya resistencia cambia según la intensidad de la luz . Normalmente, la resistencia de las LDR disminuye a medida que aumenta la intensidad de la luz que incide sobre ellas. ^[11]
• Fotodiodos que pueden funcionar en modo fotovoltaico o en modo fotoconductor . ^{[12] [13]} Los fotodiodos a menudo se combinan con electrónica analógica de bajo ruido para convertir la fotocorriente en un voltaje que se puede digitalizar . ^{[14] [15]}
• Fototransistores , que actúan como fotodiodos amplificadores.
• Fotodiodos fijados , una estructura de fotodetector con bajo retardo , bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura , ampliamente utilizada en la mayoría de los sensores de imagen CCD y CMOS. ^[16]
• 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 X y como detectores de partículas. ^{[ cita requerida ]}
• 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). ^[17]

Fotovoltaica

• Células fotovoltaicas o células solares que producen un voltaje y suministran una corriente eléctrica cuando la luz solar o ciertos tipos de luz inciden 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 individuales de rayos X , visibles e infrarrojos . ^[18]
• Los detectores piroeléctricos detectan fotones a través del calor que generan y el voltaje posterior generado en los materiales piroeléctricos.
• Las termopilas detectan la radiación electromagnética a través del calor, generando luego un voltaje en los termopares .
• Las células Golay detectan los 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 desviación se mide.

Fotoquímica

• Las células fotorreceptoras de la retina detectan la luz a través, por ejemplo, de una cascada química inducida por fotones de rodopsina .
• Detectores químicos, como las 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 forma 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 . ^[19]

Fotodetectores de grafeno/silicio

Se ha demostrado que una heterojunción de grafeno/silicio de tipo n exhibe un fuerte comportamiento rectificador y una alta fotorrespuesta. El grafeno se acopla con puntos cuánticos de silicio (QD de Si) 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 mismo 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]

Véase también

• Sistema de control de iluminación
• Lista de sensores
• Optoelectrónica
• Sensor fotoeléctrico
• Fotosensibilidad
• Circuito integrado de lectura
• Detector fotográfico mejorado por cavidad resonante
• Fotodetección

Referencias

1. Haugan, HJ; Elhamri, S.; Szmulowicz, F.; Ullrich, B.; Brown, GJ; Mitchel, WC (2008). "Estudio de portadores de fondo residuales en superredes de InAs/GaSb en el infrarrojo medio para el funcionamiento de detectores no refrigerados". Applied Physics Letters . 92 (7): 071102. Bibcode :2008ApPhL..92g1102H. doi :10.1063/1.2884264. S2CID  39187771.
2. Donati, S. "Photodetectors" (PDF) . unipv.it . Prentice Hall . Consultado el 1 de junio de 2016 .
3. Yotter, RA; Wilson, DM (junio de 2003). "Una revisión de fotodetectores para detectar reporteros emisores de luz en sistemas biológicos". IEEE Sensors Journal . 3 (3): 288–303. Bibcode :2003ISenJ...3..288Y. doi :10.1109/JSEN.2003.814651.
4. Stöckmann, F. (mayo de 1975). "Fotodetectores, su rendimiento y sus limitaciones". Applied Physics . 7 (1): 1–5. Bibcode :1975ApPhy...7....1S. doi :10.1007/BF00900511. S2CID  121425624.
5. Singh, Yogesh; Kumar, Manoj; Yadav, Reena; Kumar, Ashish; Rani, Sanju; Shashi; Singh, Preetam; Husale, Sudhir; Singh, VN (15 de agosto de 2022). "Rendimiento de fotoconductividad mejorado del dispositivo Sb2Se3 basado en microbarras". Materiales de energía solar y células solares . 243 : 111765. doi :10.1016/j.solmat.2022.111765. ISSN  0927-0248.
6. A. Grinberg, Anatoly; Luryi, Serge (1 de julio de 1988). "Teoría del efecto de arrastre de fotones en un gas de electrones bidimensional". Physical Review B . 38 (1): 87–96. Bibcode :1988PhRvB..38...87G. doi :10.1103/PhysRevB.38.87. PMID  9945167.
7. Bishop, P.; Gibson, A.; Kimmitt, M. (octubre de 1973). "El rendimiento de los detectores de arrastre de fotones a altas intensidades láser". IEEE Journal of Quantum Electronics . 9 (10): 1007–1011. Bibcode :1973IJQE....9.1007B. doi :10.1109/JQE.1973.1077407.
8. Singh, Yogesh; Parmar, Rahul; Srivastava, Avritti; Yadav, Reena; Kumar, Kapil; Rani, Sanju; Shashi; Srivastava, Sanjay K.; Husale, Sudhir; Sharma, Mahesh; Kushvaha, Sunil Singh; Singh, Vidya Nand (16 de junio de 2023). "Fotodetector de Si/Sb2Se3 de infrarrojo cercano de alta capacidad de respuesta mediante ingeniería de superficies de silicio". ACS Applied Materials & Interfaces . 15 (25): 30443–30454. doi :10.1021/acsami.3c04043. ISSN  1944-8244.
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10. Hu, Yue (1 de octubre de 2014). "Modelado de fuentes de no linealidad en un fotodetector de pin simple". Journal of Lightwave Technology . 32 (20): 3710–3720. Bibcode :2014JLwT...32.3710H. CiteSeerX 10.1.1.670.2359 . doi :10.1109/JLT.2014.2315740. S2CID  9882873. 
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12. Pearsall, Thomas (2010). Fundamentos de fotónica, 2.ª edición. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5Archivado del original el 17 de agosto de 2021. Consultado el 24 de febrero de 2021 .
13. Paschotta, Dr. Rüdiger. "Enciclopedia de física y tecnología láser: fotodetectores, fotodiodos, fototransistores, fotodetectores piroeléctricos, matriz, medidor de potencia, ruido". www.rp-photonics.com . Consultado el 31 de mayo de 2016 .
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15. "Hoja de datos del DPD80 760 nm". Resolved Instruments . Consultado el 24 de abril de 2018 .
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20. Yu, Ting; Wang, Feng; Xu, Yang; Ma, Lingling; Pi, Xiaodong; Yang, Deren (2016). "Grafeno acoplado con puntos cuánticos de silicio para fotodetectores de unión Schottky basados ​​en silicio en masa de alto rendimiento". Materiales avanzados . 28 (24): 4912–4919. doi :10.1002/adma.201506140. PMID  27061073. S2CID  205267070.

Enlaces externos

• Medios relacionados con Sensores ópticos en Wikimedia Commons