Usuário(a):Dvrj/Fotodetector

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Um fotodetector recuperado de uma unidade de CD-ROM . O fotodetector contém três fotodiodos, visíveis na foto (no centro).

Fotodetectores ou fotossensores, são sensores de luz ou de outra radiação eletromagnética.[1] Um fotodetector tem uma junção p–n que converte fótons de luz em corrente elétrica. Os fótons absorvidos formam pares elétron-buraco na região de depleção do dispositivo. Fotodiodos e fototransistores são alguns exemplos de fotodetectores. Por ourtro lado, as células solares convertem parte da energia luminosa absorvida em energia elétrica.

Tipos[editar | editar código-fonte]

Ficheiro:USB-photodetector.png
Um fotodetector amplificado comercial para uso em pesquisa óptica

Os fotodetectores podem ser classificados por seu mecanismo de detecção: [2] [3] [4]

  • Fotoemissão ou efeito fotoelétrico : onde os fótons fazem com que os elétrons façam a transição da banda de condução de um material para os elétrons livres no vácuo ou gás.
  • Térmico: onde os fótons fazem com que os elétrons façam a transição para estados de intervalo intermediário e, em seguida, voltem para as bandas inferiores, induzindo a geração de fônons e, portanto, o calor.
  • Polarização : onde os fótons induzem mudanças nos estados de polarização de materiais adequados, o que pode levar a mudanças no índice de refração ou outros efeitos de polarização.
  • Fotoquímica: onde os fótons induzem uma mudança química em um material.
  • Efeitos de interação fracos: onde os fótons induzem efeitos secundários, como nos [5] [6] ou mudanças na pressão do gás nas células de Golay .

Os fotodetectores podem ser usados em diferentes configurações. Sensores únicos podem detectar os níveis gerais de luz. Um conjunto 1-D de fotodetectores, como em um espectrofotômetro ou um scanner de linha, pode ser usado para medir a distribuição de luz ao longo de uma linha. Uma matriz 2-D de fotodetectores pode ser usada como um sensor de imagem para formar imagens a partir do padrão de luz antes dela.

Um fotodetector ou matriz é normalmente coberto por uma janela de iluminação, às vezes com um revestimento anti-reflexo .

Propriedades[editar | editar código-fonte]

Existem várias métricas de desempenho, também chamadas de figuras de mérito, pelas quais os fotodetectores são caracterizados e comparados [2] [3]

  • Resposta espectral: A resposta de um fotodetector em função da frequência dos fótons.
  • Eficiência quântica : o número de portadores (elétrons ou lacunas ) gerados por fóton.
  • Responsividade : É a corrente de saída dividida pela potência total da luz incidente sobre o fotodetector.
  • Potência equivalente de ruído : a quantidade de potência de luz necessária para gerar um sinal comparável em tamanho ao ruído do dispositivo.
  • Detetividade : a raiz quadrada da área do detector dividida pela potência equivalente ao ruído.
  • Ganho: A corrente de saída de um fotodetector dividida pela corrente produzida diretamente pelos fótons incidentes nos detectores, ou seja, o ganho de corrente embutido.
  • Corrente escura : a corrente que flui através de um fotodetector mesmo na ausência de luz.
  • Tempo de resposta : o tempo necessário para que um fotodetector vá de 10% a 90% da produção final.
  • Espectro de ruído: A tensão ou corrente intrínseca de ruído em função da frequência. Isso pode ser representado na forma de densidade espectral de ruído .
  • Não linearidade: A saída de RF é limitada pela não linearidade do fotodetector [7]

Dispositivos[editar | editar código-fonte]

Agrupados por mecanismo, os fotodetectores incluem os seguintes dispositivos:

Fotoemissão ou fotoelétrico[editar | editar código-fonte]

  • Os detectores de ionização gasosa são usados em física de partículas experimental para detectar fótons e partículas com energia suficiente para ionizar átomos ou moléculas de gás. Elétrons e íons gerados por ionização causam um fluxo de corrente que pode ser medido.
  • Tubos fotomultiplicadores contendo um fotocátodo que emite elétrons quando iluminados, os elétrons são então amplificados por uma cadeia de dínodos .
  • Fototubos contendo um fotocátodo que emite elétrons quando iluminado, de forma que o tubo conduz uma corrente proporcional à intensidade da luz.
  • Os detectores de placa de microcanais usam um substrato de vidro poroso como mecanismo de multiplicação de elétrons. Eles podem ser usados em combinação com um fotocátodo como o fotomultiplicador descrito acima, com o substrato de vidro poroso atuando como um estágio dínodo

Semicondutor[editar | editar código-fonte]

  • Sensores de pixel ativo (APSs) são sensores de imagem . Normalmente feito em um processo de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) e também conhecido como sensores de imagem CMOS, os APSs são comumente usados em câmeras de telefones celulares, câmeras da web e alguns DSLRs .
  • Os detectores de radiação de telureto de cádmio e zinco podem operar em modo de conversão direta (ou fotocondutor) em temperatura ambiente, ao contrário de alguns outros materiais (particularmente germânio) que requerem resfriamento de nitrogênio líquido. Suas vantagens relativas incluem alta sensibilidade para raios X e raios gama, devido aos altos números atômicos de Cd e Te, e melhor resolução de energia do que os detectores de cintiladores.
  • Dispositivos de carga acoplada (CCD) são sensores de imagem usados para registrar imagens em astronomia, fotografia digital e cinematografia digital . Antes da década de 1990, as placas fotográficas eram mais comuns na astronomia. A próxima geração de instrumentos astronômicos, como o Astro-E2, inclui detectores criogênicos .
  • Detectores infravermelhos HgCdTe. A detecção ocorre quando um fóton infravermelho de energia suficiente chuta um elétron da banda de valência para a banda de condução. Esse elétron é coletado por um circuito integrado de leitura externa adequado (ROIC) e transformado em um sinal elétrico.
  • LEDs com polarização reversa para atuar como fotodiodos. Veja LEDs como sensores de luz fotodiodo .
  • Fotorresistores ou Resistores Dependentes de Luz (LDR) que mudam a resistência de acordo com a intensidade da luz . Normalmente, a resistência dos LDRs diminui com o aumento da intensidade da luz incidindo sobre eles. [8]
  • Fotodiodos que podem operar no modo fotovoltaico ou no modo fotocondutor . [9] [10] Os fotodiodos são frequentemente combinados com eletrônicos analógicos de baixo ruído para converter a fotocorrente em uma tensão que pode ser digitalizada . [11] [12]
  • Fototransistores, que atuam como fotodiodos amplificadores.
  • Fotodiodos fixados, uma estrutura fotodetectora com baixo atraso, baixo ruído, alta eficiência quântica e baixa corrente escura, amplamente utilizada na maioria dos sensores de imagem CCD e CMOS. [13]
  • Quantum dot fotocondutores ou fotodiodos, que podem lidar com comprimentos de onda nas regiões espectrais visíveis e de infravermelhos.
  • Os detectores de semicondutores são empregados em espectrometria de raios-X e gama e como detectores de partículas. [ <span title="removed citation to predatory publisher content (December 2019)">citação necessária</span> ]
  • Os detectores de derivação de silício (SDDs) são detectores de radiação de raios X usados em espectrometria de raios X (EDS) e microscopia eletrônica (EDX). [14]

Fotovoltaico[editar | editar código-fonte]

Térmico[editar | editar código-fonte]

  • Os bolômetros medem a potência da radiação eletromagnética incidente por meio do aquecimento de um material com uma resistência elétrica dependente da temperatura. Um microbolômetro é um tipo específico de bolômetro usado como detector em uma câmera térmica .
  • Os detectores criogênicos são suficientemente sensíveis para medir a energia de um único raio-x , fótons visíveis e infravermelhos . [15]
  • Os detectores piroelétricos detectam fótons por meio do calor que geram e da subsequente voltagem gerada em materiais piroelétricos.
  • As termopilhas detectam a radiação eletromagnética por meio do calor, gerando uma voltagem nos termopares .
  • As células de Golay detectam fótons pelo calor que geram em uma câmara cheia de gás, fazendo com que o gás se expanda e deforme uma membrana flexível cuja deflexão é medida.

Fotoquímica[editar | editar código-fonte]

  • Células fotorreceptoras na retina detectam luz através, por exemplo, de uma cascata química induzida por fótons de rodopsina.
  • Detectores químicos, como placas fotográficas, em que uma molécula de haleto de prata é dividida em um átomo de prata metálica e um átomo de halogênio. O revelador fotográfico faz com que as moléculas adjacentes se dividam de maneira semelhante.

Polarização[editar | editar código-fonte]

  • O efeito fotorrefrativo é usado no armazenamento de dados holográficos .
  • Os fotodetectores sensíveis à polarização usam materiais opticamente anisotrópicos para detectar fótons de uma polarização linear desejada. [16]

Fotodetectores de grafeno / silício[editar | editar código-fonte]

Foi demonstrado que uma heterojunção de grafeno / silício tipo n exibe um forte comportamento retificador e alta fotorresposta. O grafeno é acoplado a pontos quânticos de silício (Si QDs) no topo do Si em massa para formar um fotodetector híbrido. Os Si QDs causam um aumento do potencial integrado da junção grafeno / Si Schottky enquanto reduzem a reflexão óptica do fotodetector. As contribuições elétricas e ópticas de Si QDs permitem um desempenho superior do fotodetector. [17]

Alcance de frequência[editar | editar código-fonte]

Em 2014, uma técnica para estender a faixa de frequência do fotodetector baseado em semicondutor para comprimentos de onda mais longos e de baixa energia. Adicionar uma fonte de luz ao dispositivo "preparou" efetivamente o detector de modo que, na presença de comprimentos de onda longos, ele disparasse em comprimentos de onda que, de outra forma, não teriam energia para fazê-lo. [18]

Veja também[editar | editar código-fonte]

Referências[editar | editar código-fonte]

30em

  1. ↑ Haugan, H. J.; Elhamri, S.; Szmulowicz, F.; Ullrich, B.; Brown, G. J.; Mitchel, W. C. (2008). «Study of residual background carriers in midinfrared InAs/GaSb superlattices for uncooled detector operation». Applied Physics Letters. 92: 071102. Bibcode:2008ApPhL..92g1102H. doi:10.1063/1.2884264 
  2. ↑ a b Donati, S. «Photodetectors» (PDF). unipv.it. Prentice Hall. Consultado em 1 June 2016  Verifique data em: |acessodata= (ajuda) Erro de citação: Código <ref> inválido; o nome "Donati2000" é definido mais de uma vez com conteúdos diferentes
  3. ↑ a b Yotter, R.A.; Wilson, D.M. (June 2003). «A review of photodetectors for sensing light-emitting reporters in biological systems». IEEE Sensors Journal. 3: 288–303. Bibcode:2003ISenJ...3..288Y. doi:10.1109/JSEN.2003.814651  Verifique data em: |data= (ajuda) Erro de citação: Código <ref> inválido; o nome "Yotter2003" é definido mais de uma vez com conteúdos diferentes
  4. ↑ Stöckmann, F. (May 1975). «Photodetectors, their performance and their limitations». Applied Physics. 7: 1–5. Bibcode:1975ApPhy...7....1S. doi:10.1007/BF00900511  Verifique data em: |data= (ajuda)
  5. ↑ A. Grinberg, Anatoly; Luryi, Serge (1 July 1988). «Theory of the photon-drag effect in a two-dimensional electron gas». Physical Review B. 38: 87–96. Bibcode:1988PhRvB..38...87G. doi:10.1103/PhysRevB.38.87  Verifique data em: |data= (ajuda)
  6. ↑ Bishop, P.; Gibson, A.; Kimmitt, M. (October 1973). «The performance of photon-drag detectors at high laser intensities». IEEE Journal of Quantum Electronics. 9: 1007–1011. Bibcode:1973IJQE....9.1007B. doi:10.1109/JQE.1973.1077407  Verifique data em: |data= (ajuda)
  7. ↑ Hu, Yue (1 October 2014). «Modeling sources of nonlinearity in a simple pin photodetector». Journal of Lightwave Technology. 32: 3710–3720. Bibcode:2014JLwT...32.3710H. CiteSeerX 10.1.1.670.2359Acessível livremente. doi:10.1109/JLT.2014.2315740  Verifique data em: |data= (ajuda)
  8. ↑ «Photo Detector Circuit». oscience.info 
  9. ↑ Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials, 2nd edition. [S.l.]: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5 
  10. ↑ Paschotta, Dr. Rüdiger. «Encyclopedia of Laser Physics and Technology - photodetectors, photodiodes, phototransistors, pyroelectric photodetectors, array, powermeter, noise». www.rp-photonics.com. Consultado em 31 de maio de 2016 
  11. ↑ «PDA10A(-EC) Si Amplified Fixed Gain Detector User Manual» (PDF). Thorlabs. Consultado em 24 April 2018  Verifique data em: |acessodata= (ajuda)
  12. ↑ «DPD80 760nm Datasheet». Resolved Instruments. Consultado em 24 April 2018  Verifique data em: |acessodata= (ajuda)
  13. ↑ Fossum, E. R.; Hondongwa, D. B. (2014). «A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors». IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2: 33–43. doi:10.1109/JEDS.2014.2306412Acessível livremente 
  14. ↑ «Silicon Drift Detectors» (PDF). tools.thermofisher.com. Thermo Scientific 
  15. ↑ Enss, Christian (Editor) (2005). Cryogenic Particle Detection. [S.l.]: Springer, Topics in applied physics 99. ISBN 978-3-540-20113-7 
  16. ↑ Yuan, Hongtao; Liu, Xiaoge; Afshinmanesh, Farzaneh; Li, Wei; Xu, Gang; Sun, Jie; Lian, Biao; Curto, Alberto G.; Ye, Guojun (1 June 2015). «Polarization-sensitive broadband photodetector using a black phosphorus vertical p–n junction». Nature Nanotechnology. 10: 707–713. Bibcode:2015NatNa..10..707Y. PMID 26030655. arXiv:1409.4729Acessível livremente. doi:10.1038/nnano.2015.112  Verifique data em: |data= (ajuda)
  17. ↑ Yu, Ting; Wang, Feng; Xu, Yang; Ma, Lingling; Pi, Xiaodong; Yang, Deren (2016). «Graphene Coupled with Silicon Quantum Dots for High-Performance Bulk-Silicon-Based Schottky-Junction Photodetectors». Advanced Materials. 28: 4912–4919. PMID 27061073. doi:10.1002/adma.201506140 
  18. ↑ Claycombe, Ann (14 de abril de 2014). «Research finds "tunable" semiconductors will allow better detectors, solar cells». Rdmag.com. Consultado em 24 de agosto de 2014 

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