Fotodetektor

Definícia a princíp činnosti

Fotodetektor je optoelektronické zariadenie, ktoré sníma dopadajúce svetlo—od ultrafialového (UV) cez viditeľné až po infračervené (IR)—a premieňa ho na merateľný elektrický signál (prúd alebo napätie). Jeho základnou funkciou je premena elektromagnetického žiarenia na elektrickú energiu, čo umožňuje kvantifikáciu a analýzu svetla. Fotodetektory sú základom aplikácií v fotometrii, optickom snímaní, zobrazovaní, optických vláknach, avionike a vedeckých prístrojoch.

Keď fotóny dopadajú na fotoaktívnu oblasť fotodetektora, excitujú elektróny z nižších do vyšších energetických stavov v materiáli (napr. z valenčného do vodivostného pásma v polovodičoch), čím vznikajú páry elektrón–diera. Vnútorné alebo vonkajšie elektrické pole následne tieto nosiče oddelí a poháňa ich k elektródam, čím vzniká signál úmerný intenzite dopadajúceho svetla.

Kľúčové kroky fotodetekcie:

• Absorpcia: Fotóny sú absorbované v aktívnej vrstve, ak ich energia prevyšuje šírku zakázaného pásma.
• Generovanie nosičov: Absorpcia vytvára páry elektrón–diera.
• Oddelenie nosičov: Elektrické pole (vnútorné alebo vonkajšie) oddelí a transportuje nosiče.
• Zber signálu: Zozbierané nosiče na elektródach vytvárajú elektrický výstup.

Fotodetektory sú jedinečné v tom, že poskytujú priamu, rýchlu a citlivú elektrickú odozvu na svetlo, čo ich robí nevyhnutnými v bezpečnostne kritickej avionike, priemyselnej automatizácii aj spotrebnej elektronike.

Štruktúra zariadenia a základné komponenty

Výkon fotodetektora je definovaný jeho architektúrou:

• Aktívna vrstva: Oblasť absorbujúca fotóny, zvyčajne polovodič ako kremík, InGaAs alebo organický polymér, navrhnutý na určitú spektrálnu odozvu.
• Elektródy: Zbierajú fotogenerované nosiče. Dizajn (napr. priesvitné, prepletené) ovplyvňuje účinnosť a rýchlosť.
• Substrát: Mechanická podpora, môže byť pevná (sklo, kremík) alebo flexibilná (polyimid).
• Blokovacie/transportné vrstvy: Zlepšujú jednosmerný tok nosičov a znižujú úniky (bežné v organických/hybridných zariadeniach).
• Pasivácia/enkapsulácia: Chráni citlivé oblasti a zlepšuje stabilitu, čo je kľúčové pre životnosť (najmä pri organických a perovskitových zariadeniach).
• Geometria: Planárne, vertikálne alebo prepletené usporiadanie určuje kapacitanciu, rýchlosť a kompatibilitu s elektronikou.

Ilustratívny priečny rez zariadenia:

[ Dopadajúce svetlo ]
      ↓
 ┌─────────────────────────────┐
 │  Priesvitná elektróda       │
 ├─────────────────────────────┤
 │  Fotoaktívna (polovodičová) │
 ├─────────────────────────────┤
 │  Zadná elektróda            │
 └─────────────────────────────┘
      ↑
   Substrát

Pokroky v nanovýrobe a materiáloch umožňujú ultratenké, flexibilné a multispektrálne fotodetektory pre letectvo, medicínu a nositeľné technológie.

Typy fotodetektorov

Fotodiódy

Polovodičové zariadenia (PN, PIN prechody), kde absorpcia fotónov generuje nosiče náboja oddelené vnútorným elektrickým poľom. Pracujú v fotovoltaickom režime (bez predpätia; nízky šum) alebo fotovodivom režime (záporné predpätie; vysoká rýchlosť). Štandardom pre viditeľné/NIR je kremík; pre IR v telekomunikáciách InGaAs.

Lavínové fotodiódy (APD)

Pracujú pri vysokom zápornom predpätí. Nárazová ionizácia zosilňuje fotoprúd, čo umožňuje vysokú citlivosť na slabé svetlo, vrátane detekcie jednotlivých fotónov. Používajú sa v LIDARoch, time-of-flight a optickej komunikácii v hlbokom vesmíre.

Fototranzistory

Na svetlo citlivé tranzistory, ktoré zosilňujú fotoprúd. Sú citlivejšie ako fotodiódy, ale pomalšie. Používajú sa v optočlencoch, detekcii objektov a spínačoch pri slabom osvetlení.

Kov–polovodič–kov (MSM) detektory

Majú prepletené Schottkyho kontakty pre extrémne rýchlu, širokopásmovú prevádzku—používajú sa vo vysokorýchlostnej optickej komunikácii a integrovaných fotonických obvodoch.

Fotoodpory (LDR)

Polovodiče, ktorých odpor sa pri osvetlení znižuje. Sú jednoduché a lacné, ale pomalé a nelineárne. Používajú sa na snímanie okolitého svetla a jednoduché automatické ovládanie.

Fototrubice a fotonásobiče (PMT)

Vákuové/plynové zariadenia s fotoemisnými katódami. PMT obsahujú dynódy na násobenie elektrónov, čím poskytujú vysoké zosilnenie a detekciu extrémne slabého svetla pre vedecké a medicínske aplikácie.

CMOS a CCD obrazové snímače

Polia fotodetektorov s čipovým spracovaním (CMOS—nízka spotreba, rýchlosť, bežné v spotrebnej elektronike; CCD—vysoká citlivosť, nízky šum, používané vo vedeckom zobrazovaní).

Supravodivé & nové nanomateriálové detektory

SNSPD (supravodivé nanodrôty) na detekciu jednotlivých fotónov, ultrarýchlu a nízkošumovú detekciu (kvantová optika, bezpečná komunikácia). Nové materiály ako grafén, TMD, perovskity a kvantové bodky umožňujú flexibilné, širokopásmové a multifunkčné fotodetektory.

Kľúčové fyzikálne javy a detekčné mechanizmy

Kľúčové parametre:

• Kvantová účinnosť (QE): Podiel fotónov konvertovaných na nosiče náboja.
• Responsivita (R): Elektrický výstup na optický vstup (A/W alebo V/W).

Materiály používané vo fotodetektoroch

Výber materiálu určuje spektrálnu odozvu, účinnosť a stabilitu zariadenia. Hybridné/heteroštruktúrne zariadenia kombinujú materiály pre špecifické vlastnosti.

Vlastnosti a výkonnostné parametre

Spektrálna citlivosť: Rozsah vlnových dĺžok s merateľnou odozvou.

Responsivita (R): Elektrický výstup na optický vstup (A/W alebo V/W).

Kvantová účinnosť (QE): Percento dopadajúcich fotónov konvertovaných na prúd.

Detektivita (D*, Jones): Pomer signálu k šumu normalizovaný na plochu detektora a šírku pásma (cm·Hz^0.5/W).

Šumový ekvivalent výkonu (NEP): Minimálny detekovateľný výkon pri jednotkovom SNR (W/Hz^0.5).

Čas odozvy/šírka pásma: Rýchlosť zmeny signálu (dôležité pre komunikáciu, LIDAR).

Dynamický rozsah: Pomer maximálneho a minimálneho detekovateľného signálu (dB).

Temný prúd: Základný prúd v tme; nižší je lepší pri citlivých meraniach.

Linearita: Úmernosť výstupu vstupnému svetlu.

Fotonásobenie: Faktor vnútorného zosilnenia (nosiče na fotón).

Aplikácie

• Optická komunikácia (optické vlákna, voľný priestor)
• Zobrazovanie (kamery, skenery, nočné videnie)
• Avionika a bezpečnosť (dymové detektory, senzory v kokpite)
• Priemyselná automatizácia (strojové videnie, riadenie procesov)
• Medicínska technika (pulzná oxymetria, zobrazovanie)
• Vedecký výskum (spektroskopia, fyzika častíc)
• Environmentálne monitorovanie (UV, IR, žiarenie)
• Spotrebná elektronika (smartfóny, diaľkové ovládače)

Zhrnutie

Fotodetektory sú nevyhnutné optoelektronické komponenty, ktoré premieňajú svetlo na elektrické signály pre širokú škálu moderných technológií. Vďaka neustálemu pokroku v materiáloch, architektúrach a výrobe sa fotodetektory stávajú rýchlejšími, citlivejšími, všestrannejšími a čoraz viac integrovanými—umožňujú inovácie v letectve, zdravotníctve, komunikácii a ďalších oblastiach.