Fotodetektor

Fotodetektorlar, (shuningdek, fotosensorlar deb ataladi) –  yorugʻlik yoki boshqa elektromagnit nurlanish sensorlari. Fotoelektrik yoki fotokimyoviy effektlar kabi aniqlash mexanizmi boʻyicha yoki spektral javob kabi turli xil ishlash koʻrsatkichlari boʻyicha tasniflanishi mumkin boʻlgan juda koʻp fotodetektorlar mavjud. Yarimoʻtkazgichga asoslangan fotodetektorlar odatda yorugʻlik fotonlarini oqimga aylantiradigan p-n birikmasiga ega. Soʻrilgan fotonlar kamayish hududida elektron-teshik juftlarini hosil qiladi. Fotodiodlar va fototranzistorlar fotodetektorlarning bir nechta namunasidir. Quyosh xujayralari soʻrilgan yorugʻlik energiyasining bir qismini elektr energiyasiga aylantiradi.

 Fotodetektor turlari 
Fotodetektorlarni ishlash mexanizmi va qurilma tuzilishiga qarab tasniflash mumkin. Bu yerda umumiy tasniflar mavjud:

 Ishlash mexanizmiga asoslanadi 
Fotodetektorlarni aniqlash mexanizmiga koʻra tasniflash mumkin]:

 Fotooʻtkazuvchan effekt: Bu detektorlar yorugʻlik taʼsirida elektr oʻtkazuvchanligini oʻzgartirish orqali ishlaydi. Tushgan yorugʻlik materialda elektron teshik juftlarini hosil qiladi va uning oʻtkazuvchanligini oʻzgartiradi. Fotooʻtkazgich detektorlari odatda yarim oʻtkazgichlardan tayyorlanadi.[5] Fotoemissiya yoki fotoelektr effekti: Fotonlar elektronlarning materialning oʻtkazuvchanlik zonasidan vakuum yoki gazdagi erkin elektronlarga oʻtishiga olib keladi.  Termal: Fotonlar elektronlarning oʻrta boʻshliq holatlariga oʻtishiga olib keladi, keyin esa pastki diapazonlarga parchalanadi, fonon hosil boʻlishini va shuning uchun issiqlikni keltirib chiqaradi.  Polarizatsiya: Fotonlar mos materiallarning qutblanish holatidagi oʻzgarishlarni keltirib chiqaradi, bu esa sinish indeksining oʻzgarishiga yoki boshqa qutblanish effektlariga olib kelishi mumkin.  Fotokimyoviy: Fotonlar materialda kimyoviy oʻzgarishlarni keltirib chiqaradi.  Zaif oʻzaro taʼsir effektlari: fotonlar ikkilamchi effektlarni keltirib chiqaradi, masalan, foton tortish[6][7] detektorlari yoki Golay hujayralarida gaz bosimining oʻzgarishi.

Fotodetektorlar turli xil konfiguratsiyalarda ishlatilishi mumkin. Yagona sensorlar umumiy yorugʻlik darajasini aniqlashi mumkin. Spektrofotometr yoki chiziqli skanerda boʻlgani kabi 1 oʻlchamli fotodetektorlar majmuasi yorugʻlikning chiziq boʻylab tarqalishini oʻlchash uchun ishlatilishi mumkin. Fotodetektorlarning ikki oʻlchovli massividan oldingi yorugʻlik namunasidan tasvirlarni yaratish uchun tasvir sensori sifatida foydalanish mumkin.

Fotodetektor yoki massiv odatda yorugʻlik oynasi bilan qoplangan, baʼzida aks ettiruvchi qoplamaga ega.

 Qurilmaning tuzilishiga asoslanadi 
Qurilmaning tuzilishiga koʻra, fotodetektorlarni quyidagi toifalarga ajratish mumkin:

MSM fotodetektori: MSM fotodetektori ikkita metall elektrod orasiga oʻrnatilgan yarimoʻtkazgich qatlamidan iborat. Metall elektrodlar bir-biriga bogʻlangan boʻlib, bir qator oʻzgaruvchan barmoqlar yoki panjaralar hosil qiladi. Yarimoʻtkazgich qatlami odatda kremniy (Si), galliy arsenid (GaAs), indiy fosfidi (InP) yoki Sb2Se3 kabi materiallardan tayyorlanadi.[5]

Fotodiodlar: Fotodiodlar fotodetektorlarning eng keng tarqalgan turidir. Ular PN birikmasiga ega yarimoʻtkazgichli qurilmalardir. Hodisa yorugʻligi tutashgan hududda elektron-teshik juftlarini hosil qilib, fototokni hosil qiladi. Fotodiodlarni yana quyidagilarga boʻlish mumkin: a. PIN-kodli fotodiodlar: Ushbu fotodiodlar P va N hududlari oʻrtasida qoʻshimcha ichki (I) hududga ega boʻlib, ular tugash hududini kengaytiradi va qurilmaning ish faoliyatini yaxshilaydi. b. Schottky fotodiodlari: Schottky fotodiodlarida PN birikmasi oʻrniga metall-yarimoʻtkazgichli birikma ishlatiladi. Ular yuqori tezlikda javob beradi va odatda yuqori chastotali ilovalarda qoʻllanadi.

Koʻchki fotodiodlari (APDs): APDlar koʻchki koʻpayishini oʻz ichiga olgan maxsus fotodiodlardir. Ular PN birikmasi yaqinida yuqori elektr maydoniga ega, bu zarba ionlanishiga olib keladi va qoʻshimcha elektron-teshik juftlarini hosil qiladi. Ushbu ichki kuchaytirish aniqlash sezgirligini yaxshilaydi. APDlar yuqori sezuvchanlikni talab qiluvchi ilovalarda keng qoʻllanadi, masalan, kam yorugʻlik ostida tasvirlash va uzoq masofali optik aloqa.[8]

Fototransistorlar: Fototransistorlar yorugʻlikka sezgir tayanch hududiga ega tranzistorlardir. Hodisa nuri tranzistorning kollektor oqimini boshqaradigan asosiy oqimning oʻzgarishiga olib keladi. Fototransistorlar kuchaytirishni taklif qiladi va ularni aniqlash va signalni kuchaytirishni talab qiladigan ilovalarda foydalanish mumkin.

Zaryadga ulangan qurilmalar (CCDs): CCD'lar kichik kondansatörler majmuasidan tashkil topgan tasvir sensorlari. Hodisa nuri kondensatorlarda zaryad hosil qiladi, ular ketma-ket oʻqiladi va tasvir hosil qilish uchun qayta ishlanadi. CCD'lar odatda raqamli kameralar va ilmiy tasvirlash dasturlarida qoʻllanadi.

CMOS tasvir sensorlari (MDH): CMOS tasvir sensorlari qoʻshimcha metall-oksid-yarim oʻtkazgich (CMOS) texnologiyasiga asoslangan. Ular fotodetektorlar va signallarni qayta ishlash sxemalarini bitta chipda birlashtiradi. CMOS tasvir sensorlari kam quvvat isteʼmoli, yuqori integratsiya va standart CMOS ishlab chiqarish jarayonlari bilan mosligi tufayli mashhurlikka erishdi.

Fotokoʻpaytiruvchi quvurlar (PMTs): PMTlar vakuumli trubkaga asoslangan fotodetektorlardir. Ular yoritilganda elektronlar chiqaradigan fotokatoddan, soʻngra ikkilamchi emissiya orqali elektron oqimini koʻpaytiradigan bir qator dinodlardan iborat. PMTlar yuqori sezuvchanlikni taklif qiladi va zarrachalar fizikasi tajribalari va sintilatsiya detektorlari kabi kam yorugʻlikni aniqlashni talab qiladigan ilovalarda qoʻllanadi.

Bular qurilma tuzilishiga asoslangan umumiy fotodetektorlardan baʼzilari. Har bir turning oʻziga xos xususiyatlari, afzalliklari va turli sohalarda, jumladan, tasvirlash, aloqa, sezish va ilmiy tadqiqotlarda qoʻllanishi mavjud.

 Xususiyatlari 
Fotodetektorlar tavsiflanadi va solishtiriladi bir qator ishlash koʻrsatkichlari mavjud boʻlib, ular "xizmat koʻrsatkichlari" deb ham ataladi.

 Spektral javob: fotodetektorning foton chastotasining funksiyasi sifatida javobi.
 Kvant samaradorligi : foton uchun hosil boʻlgan tashuvchilar soni (elektronlar yoki teshiklar).
 Javobgarlik : Chiqish oqimi fotodetektorga tushadigan umumiy yorugʻlik kuchiga boʻlinadi.
 Shovqinga ekvivalent quvvat : Qurilmaning shovqini bilan oʻxshash oʻlchamdagi signalni yaratish uchun zarur boʻlgan yorugʻlik quvvati miqdori.
 Detektivlik : Detektor maydonining kvadrat ildizi shovqin ekvivalent quvvatiga boʻlinadi.
 Daromad: Fotodetektorning chiqish oqimi toʻgʻridan-toʻgʻri detektorlarga tushgan fotonlar tomonidan ishlab chiqarilgan oqimga boʻlinadi, yaʼni oʻrnatilgan oqim kuchayishi.
 Qorongʻu oqim : yorugʻlik boʻlmagan taqdirda ham fotodetektor orqali oqadigan oqim.
 Javob vaqti : Fotodetektorning yakuniy mahsulotning 10% dan 90% gacha oʻtishi uchun zarur boʻlgan vaqt.
 Shovqin spektri: chastotaga bogʻliq boʻlgan ichki shovqin kuchlanishi yoki oqimi. Bu shovqin spektral zichligi shaklida ifodalanishi mumkin.
 Nonlineerlik: RF chiqishi fotodetektorning chiziqli boʻlmaganligi bilan cheklangan.

 Qurilmalar 
Mexanizm boʻyicha guruhlangan fotodetektorlar quyidagi qurilmalarni oʻz ichiga oladi:

 Fotoemissiya yoki fotoelektrik 
Gazli ionlanish detektorlari eksperimental zarrachalar fizikasida gaz atomlari yoki molekulalarini ionlashtirish uchun etarli energiyaga ega fotonlar va zarrachalarni aniqlash uchun ishlatiladi. Ionlanish natijasida hosil boʻlgan elektronlar va ionlar oʻlchash mumkin boʻlgan oqim oqimini keltirib chiqaradi.

Yoritilganda elektronlar chiqaradigan fotokatodni oʻz ichiga olgan fotokoʻpaytiruvchi quvurlar, keyin elektronlar dinodlar zanjiri bilan kuchaytiriladi.

Tarkibida fotokatod boʻlgan fototubalar yoritilganda elektronlar chiqaradi, shunday qilib naycha yorugʻlik intensivligiga mutanosib oqim oʻtkazadi.

Mikrokanal plastinka detektorlari elektronlarni koʻpaytirish mexanizmi sifatida gözenekli shisha substratdan foydalanadi. Ular yuqorida tavsiflangan fotokoʻpaytirgich kabi fotokatod bilan birgalikda ishlatilishi mumkin, gʻovakli shisha substrat dinod bosqichi sifatida ishlaydi.

Yarimoʻtkazgich

Faol pikselli sensorlar (APS) tasvir sensorlaridir. Odatda qoʻshimcha metall-oksid-yarim oʻtkazgich (CMOS) jarayonida ishlab chiqariladi va CMOS tasvir sensorlari sifatida ham tanilgan, APS'lar odatda uyali telefon kameralarida, veb-kameralarda va baʼzi DSLRlarda qoʻllanadi.

Kadmiy rux tellurid nurlanish detektorlari suyuq azotni sovutishni talab qiladigan baʼzi boshqa materiallardan (ayniqsa, germaniydan) farqli oʻlaroq, xona haroratida toʻgʻridan-toʻgʻri konversiya (yoki fotooʻtkazuvchan) rejimida ishlashi mumkin. Ularning nisbiy afzalliklari orasida Cd va Te ning yuqori atom raqamlari tufayli rentgen va gamma-nurlariga yuqori sezuvchanlik va sintilator detektorlariga qaraganda yaxshiroq energiya aniqligi kiradi.

Zaryadga ulangan qurilmalar (CCD) astronomiya, raqamli fotografiya va raqamli kinematografiyada tasvirlarni yozib olish uchun ishlatiladigan tasvir sensorlari. 1990-yillarga qadar fotografik plitalar astronomiyada eng keng tarqalgan edi. Astro-E2 kabi astronomik asboblarning keyingi avlodi kriogen detektorlarni oʻz ichiga oladi.

HgCdTe infraqizil detektorlari. Aniqlanish etarli energiyaga ega infraqizil foton elektronni valentlik zonasidan oʻtkazuvchanlik zonasiga urganida sodir boʻladi. Bunday elektron mos keladigan tashqi oʻqish integral mikrosxemalar (ROIC) tomonidan yigʻiladi va elektr signaliga aylanadi.

 Chastota diapazoni 
2014-yilda yarimoʻtkazgichga asoslangan fotodetektorning chastota diapazonini uzoqroq, past energiyali toʻlqin uzunliklariga kengaytirish usuli. Qurilmaga yorugʻlik manbasini qoʻshish detektorni samarali tarzda "astarlash" imkonini berdi, shunda uzoq toʻlqin uzunliklari mavjud boʻlganda, u buni amalga oshirish uchun energiya etishmayotgan toʻlqin uzunliklarida yonadi.

 Foydalanilgan adabiyotlar