Fotodetektor
Фотодетекторлар, (шунингдек, фотосенсорлар деб аталади) – ёруғлик ёки бошқа электромагнит нурланиш сенсорлари[1]. Фотоэлектрик ёки фотокимёвий эффектлар каби аниқлаш механизми бўйича ёки спектрал жавоб каби турли хил ишлаш кўрсаткичлари бўйича таснифланиши мумкин бўлган жуда кўп фотодетекторлар мавжуд. Яримўтказгичга асосланган фотодетекторлар одатда ёруғлик фотонларини оқимга айлантирадиган п-н бирикмасига эга. Сўрилган фотонлар камайиш ҳудудида электрон-тешик жуфтларини ҳосил қилади. Фотодиодлар ва фототранзисторлар фотодетекторларнинг бир нечта намунасидир. Қуёш хужайралари сўрилган ёруғлик энергиясининг бир қисмини электр энергиясига айлантиради.
Фотодетектор турлари
Фотодетекторларни ишлаш механизми ва қурилма тузилишига қараб таснифлаш мумкин. Бу ерда умумий таснифлар мавжуд:
Ишлаш механизмига асосланади
Фотодетекторларни аниқлаш механизмига кўра таснифлаш мумкин[2]][3][4]:
- Фотоўтказувчан эффект: Бу детекторлар ёруғлик таъсирида электр ўтказувчанлигини ўзгартириш орқали ишлайди. Тушган ёруғлик материалда электрон тешик жуфтларини ҳосил қилади ва унинг ўтказувчанлигини ўзгартиради. Фотоўтказгич детекторлари одатда ярим ўтказгичлардан тайёрланади.[5] Фотоэмиссия ёки фотоэлектр эффекти: Фотонлар электронларнинг материалнинг ўтказувчанлик зонасидан вакуум ёки газдаги эркин электронларга ўтишига олиб келади. Термал: Фотонлар электронларнинг ўрта бўшлиқ ҳолатларига ўтишига олиб келади, кейин эса пастки диапазонларга парчаланади, фонон ҳосил бўлишини ва шунинг учун иссиқликни келтириб чиқаради. Поларизация: Фотонлар мос материалларнинг қутбланиш ҳолатидаги ўзгаришларни келтириб чиқаради, бу эса синиш индексининг ўзгаришига ёки бошқа қутбланиш эффектларига олиб келиши мумкин. Фотокимёвий: Фотонлар материалда кимёвий ўзгаришларни келтириб чиқаради. Заиф ўзаро таъсир эффектлари: фотонлар иккиламчи эффектларни келтириб чиқаради, масалан, фотон тортиш[6][7] детекторлари ёки Голай ҳужайраларида газ босимининг ўзгариши[5].
Фотодетекторлар турли хил конфигурацияларда ишлатилиши мумкин. Ягона сенсорлар умумий ёруғлик даражасини аниқлаши мумкин. Спектрофотометр ёки чизиқли сканерда бўлгани каби 1 ўлчамли фотодетекторлар мажмуаси ёруғликнинг чизиқ бўйлаб тарқалишини ўлчаш учун ишлатилиши мумкин. Фотодетекторларнинг икки ўлчовли массивидан олдинги ёруғлик намунасидан тасвирларни яратиш учун тасвир сенсори сифатида фойдаланиш мумкин.
Фотодетектор ёки массив одатда ёруғлик ойнаси билан қопланган, баъзида акс эттирувчи қопламага эга.
Қурилманинг тузилишига асосланади
Қурилманинг тузилишига кўра, фотодетекторларни қуйидаги тоифаларга ажратиш мумкин:
МСМ фотодетектори: МСМ фотодетектори иккита металл электрод орасига ўрнатилган яримўтказгич қатламидан иборат. Металл электродлар бир-бирига боғланган бўлиб, бир қатор ўзгарувчан бармоқлар ёки панжаралар ҳосил қилади. Яримўтказгич қатлами одатда кремний (Си), галлий арсенид (ГаАс), индий фосфиди (ИнП) ёки Сб2Се3 каби материаллардан тайёрланади.[5]
Фотодиодлар: Фотодиодлар фотодетекторларнинг энг кенг тарқалган туридир. Улар ПН бирикмасига эга яримўтказгичли қурилмалардир. Ҳодиса ёруғлиги туташган ҳудудда электрон-тешик жуфтларини ҳосил қилиб, фототокни ҳосил қилади. Фотодиодларни яна қуйидагиларга бўлиш мумкин: а. ПИН-кодли фотодиодлар: Ушбу фотодиодлар П ва Н ҳудудлари ўртасида қўшимча ички (И) ҳудудга эга бўлиб, улар тугаш ҳудудини кенгайтиради ва қурилманинг иш фаолиятини яхшилайди. б. Счотткй фотодиодлари: Счотткй фотодиодларида ПН бирикмаси ўрнига металл-яримўтказгичли бирикма ишлатилади. Улар юқори тезликда жавоб беради ва одатда юқори частотали иловаларда қўлланади.
Кўчки фотодиодлари (АПДс): АПДлар кўчки кўпайишини ўз ичига олган махсус фотодиодлардир. Улар ПН бирикмаси яқинида юқори электр майдонига эга, бу зарба ионланишига олиб келади ва қўшимча электрон-тешик жуфтларини ҳосил қилади. Ушбу ички кучайтириш аниқлаш сезгирлигини яхшилайди. АПДлар юқори сезувчанликни талаб қилувчи иловаларда кенг қўлланади, масалан, кам ёруғлик остида тасвирлаш ва узоқ масофали оптик алоқа.[8]
Фототрансисторлар: Фототрансисторлар ёруғликка сезгир таянч ҳудудига эга транзисторлардир. Ҳодиса нури транзисторнинг коллектор оқимини бошқарадиган асосий оқимнинг ўзгаришига олиб келади. Фототрансисторлар кучайтиришни таклиф қилади ва уларни аниқлаш ва сигнални кучайтиришни талаб қиладиган иловаларда фойдаланиш мумкин.
Зарядга уланган қурилмалар (CCДс): CCД'лар кичик кондансатöрлер мажмуасидан ташкил топган тасвир сенсорлари. Ҳодиса нури конденсаторларда заряд ҳосил қилади, улар кетма-кет ўқилади ва тасвир ҳосил қилиш учун қайта ишланади. CCД'лар одатда рақамли камералар ва илмий тасвирлаш дастурларида қўлланади.
CМОС тасвир сенсорлари (МДҲ): CМОС тасвир сенсорлари қўшимча металл-оксид-ярим ўтказгич (CМОС) технологиясига асосланган. Улар фотодетекторлар ва сигналларни қайта ишлаш схемаларини битта чипда бирлаштиради. CМОС тасвир сенсорлари кам қувват истеъмоли, юқори интеграция ва стандарт CМОС ишлаб чиқариш жараёнлари билан мослиги туфайли машҳурликка эришди.
Фотокўпайтирувчи қувурлар (ПМЦ): ПМТлар вакуумли трубкага асосланган фотодетекторлардир. Улар ёритилганда электронлар чиқарадиган фотокатоддан, сўнгра иккиламчи эмиссия орқали электрон оқимини кўпайтирадиган бир қатор динодлардан иборат. ПМТлар юқори сезувчанликни таклиф қилади ва заррачалар физикаси тажрибалари ва синтилация детекторлари каби кам ёруғликни аниқлашни талаб қиладиган иловаларда қўлланади.
Булар қурилма тузилишига асосланган умумий фотодетекторлардан баъзилари. Ҳар бир турнинг ўзига хос хусусиятлари, афзалликлари ва турли соҳаларда, жумладан, тасвирлаш, алоқа, сезиш ва илмий тадқиқотларда қўлланиши мавжуд.
Хусусиятлари
Фотодетекторлар тавсифланади ва солиштирилади[2][3] бир қатор ишлаш кўрсаткичлари мавжуд бўлиб, улар "хизмат кўрсаткичлари" деб ҳам аталади.
- Спектрал жавоб: фотодетекторнинг фотон частотасининг функсияси сифатида жавоби.
- Квант самарадорлиги : фотон учун ҳосил бўлган ташувчилар сони (электронлар ёки тешиклар).
- Жавобгарлик : Чиқиш оқими фотодетекторга тушадиган умумий ёруғлик кучига бўлинади.
- Шовқинга эквивалент қувват : Қурилманинг шовқини билан ўхшаш ўлчамдаги сигнални яратиш учун зарур бўлган ёруғлик қуввати миқдори.
- Детективлик : Детектор майдонининг квадрат илдизи шовқин эквивалент қувватига бўлинади.
- Даромад: Фотодетекторнинг чиқиш оқими тўғридан-тўғри детекторларга тушган фотонлар томонидан ишлаб чиқарилган оқимга бўлинади, яъни ўрнатилган оқим кучайиши.
- Қоронғу оқим : ёруғлик бўлмаган тақдирда ҳам фотодетектор орқали оқадиган оқим.
- Жавоб вақти : Фотодетекторнинг якуний маҳсулотнинг 10% дан 90% гача ўтиши учун зарур бўлган вақт.
- Шовқин спектри: частотага боғлиқ бўлган ички шовқин кучланиши ёки оқими. Бу шовқин спектрал зичлиги шаклида ифодаланиши мумкин.
- Нонлинеэрлик: РФ чиқиши фотодетекторнинг чизиқли бўлмаганлиги билан чекланган[6].
Қурилмалар
Механизм бўйича гуруҳланган фотодетекторлар қуйидаги қурилмаларни ўз ичига олади:
Фотоэмиссия ёки фотоэлектрик
Газли ионланиш детекторлари экспериментал заррачалар физикасида газ атомлари ёки молекулаларини ионлаштириш учун этарли энергияга эга фотонлар ва заррачаларни аниқлаш учун ишлатилади. Ионланиш натижасида ҳосил бўлган электронлар ва ионлар ўлчаш мумкин бўлган оқим оқимини келтириб чиқаради.
Ёритилганда электронлар чиқарадиган фотокатодни ўз ичига олган фотокўпайтирувчи қувурлар, кейин электронлар динодлар занжири билан кучайтирилади.
Таркибида фотокатод бўлган фототубалар ёритилганда электронлар чиқаради, шундай қилиб найча ёруғлик интенсивлигига мутаносиб оқим ўтказади.
Микроканал пластинка детекторлари электронларни кўпайтириш механизми сифатида гöзенекли шиша субстратдан фойдаланади. Улар юқорида тавсифланган фотокўпайтиргич каби фотокатод билан биргаликда ишлатилиши мумкин, ғовакли шиша субстрат динод босқичи сифатида ишлайди.
Яримўтказгич
Фаол пикселли сенсорлар (АПС) тасвир сенсорларидир. Одатда қўшимча металл-оксид-ярим ўтказгич (CМОС) жараёнида ишлаб чиқарилади ва CМОС тасвир сенсорлари сифатида ҳам танилган, АПС'лар одатда уяли телефон камераларида, веб-камераларда ва баъзи ДСЛРларда қўлланади.
Кадмий рух теллурид нурланиш детекторлари суюқ азотни совутишни талаб қиладиган баъзи бошқа материаллардан (айниқса, германийдан) фарқли ўлароқ, хона ҳароратида тўғридан-тўғри конверсия (ёки фотоўтказувчан) режимида ишлаши мумкин. Уларнинг нисбий афзалликлари орасида Cд ва Те нинг юқори атом рақамлари туфайли рентген ва гамма-нурларига юқори сезувчанлик ва синтилатор детекторларига қараганда яхшироқ энергия аниқлиги киради.
Зарядга уланган қурилмалар (CCД) астрономия, рақамли фотография ва рақамли кинематографияда тасвирларни ёзиб олиш учун ишлатиладиган тасвир сенсорлари. 1990-йилларга қадар фотографик плиталар астрономияда энг кенг тарқалган эди. Астро-Э2 каби астрономик асбобларнинг кейинги авлоди криоген детекторларни ўз ичига олади.
ҲгCдТе инфрақизил детекторлари. Аниқланиш этарли энергияга эга инфрақизил фотон электронни валентлик зонасидан ўтказувчанлик зонасига урганида содир бўлади. Бундай электрон мос келадиган ташқи ўқиш интеграл микросхемалар (РОИC) томонидан йиғилади ва электр сигналига айланади.
Частота диапазони
2014-йилда яримўтказгичга асосланган фотодетекторнинг частота диапазонини узоқроқ, паст энергияли тўлқин узунликларига кенгайтириш усули. Қурилмага ёруғлик манбасини қўшиш детекторни самарали тарзда "астарлаш" имконини берди, шунда узоқ тўлқин узунликлари мавжуд бўлганда, у буни амалга ошириш учун энергия этишмаётган тўлқин узунликларида ёнади[7].
Фойдаланилган адабиётлар
- ↑ Ҳауган, Ҳ. Ж.; Элҳамри, С.; Сзмулоwиcз, Ф.; Уллрич, Б.; Броwн, Г. Ж.; Митчел, W. C. (2008). „Студй оф ресидуал баcкгроунд cарриэрс ин мидинфраред ИнАс/ГаСб суперлаттиcес фор унcоолед детеcтор оператион“. Апплиэд Пҳйсиcс Леттерс. 92-жилд, № 7. 071102-бет. Бибcоде:2008АпПҳЛ..92г1102Ҳ. дои:10.1063/1.2884264.
- ↑ 2,0 2,1 Донати. „Пҳотодетеcторс“. унипв.ит. Прентиcе Ҳалл. 2022-йил 22-январда асл нусхадан архивланган. Қаралди: 1-июн 2016-йил.
- ↑ 3,0 3,1 Ёттер, Р.А.; Wилсон, Д.М. (2003-йил июн). „А ревиэw оф пҳотодетеcторс фор сенсинг лигҳт-эмиттинг репортерс ин биологиcал сйстемс“. ИЭЭЭ Сенсорс Жоурнал. 3-жилд, № 3. 288–303-бет. Бибcоде:2003ИСенЖ...3..288Й. дои:10.1109/ЖСЕН.2003.814651.
{{cите магазине}}: сана киритилиши керак бўлган параметрга берилган қийматни текшириш лозим:|дате=(ёрдам) - ↑ Стöcкманн, Ф. (1975-йил май). „Пҳотодетеcторс, тҳеир перформанcе анд тҳеир лимитатионс“. Апплиэд Пҳйсиcс. 7-жилд, № 1. 1–5-бет. Бибcоде:1975АпПҳй...7....1С. дои:10.1007/БФ00900511.
{{cите магазине}}: сана киритилиши керак бўлган параметрга берилган қийматни текшириш лозим:|дате=(ёрдам) - ↑ Сингҳ, Ёгеш; Кумар, Манож; Ядав, Реэна; Кумар, Ашиш; Рани, Санжу; Шаши; Сингҳ, Преэтам; Ҳусале, Судҳир; Сингҳ, В. Н. (15-август 2022-йил). „Энҳанcед пҳотоcондуcтивитй перформанcе оф миcрород-басед Сб2Се3 девиcе“. Солар Энергй Материалс анд Солар Cеллс (инглизча). 243-жилд. 111765-бет. дои:10.1016/ж.солмат.2022.111765. ИССН 0927-0248.
{{cите магазине}}: CС1 маинт: дате формат () - ↑ Ҳу, Юэ (1-октабр 2014-йил). „Моделинг соурcес оф нонлинеаритй ин а симпле пин пҳотодетеcтор“. Жоурнал оф Лигҳтwаве Течнологй. 32-жилд, № 20. 3710–3720-бет. Бибcоде:2014ЖЛwТ...32.3710Ҳ. дои:10.1109/ЖЛТ.2014.2315740.
{{cите магазине}}: CС1 маинт: дате формат () - ↑ Cлайcомбе. „Ресеарч финдс "тунабле" семиcондуcторс wилл аллоw беттер детеcторс, солар cеллс“. Рдмаг.cом (14-апрел 2014-йил). Қаралди: 24-август 2014-йил.