Φωτοανιχνευτές

Οι φωτοανιχνευτές είναι συσκευές που επιτρέπουν την ανίχνευση και μέτρηση της έντασης του φωτός ή γενικότερα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εκμεταλλευόμενοι την αλληλεπίδραση της προς ανίχνευση ακτινοβολίας με την ύλη. Το αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης μπορεί είτε να γίνει άμεσα και οπτικά αντιληπτό, όπως στην περίπτωση των χημικών φωτοαισθητήρων (κάρτες ανίχνευσης ραδιενέργειας ή φωτογραφικά φιλμ), ή να μετατραπεί σε ένα μετρήσιμο ηλεκτρικό μέγεθος (μεταβολή τάσης, έντασης ηλεκτρικού ρεύματος ή αντίστασης), όπως γίνεται στις σύγχρονες κάμερες. Αναλυτικότερα, στην τελευταία περίπτωση, τα στάδια της ανίχνευσης είναι τα εξής:

  • Απορρόφηση της ακτινοβολίας από υλικό που αποτελεί μέρος του ανιχνευτή. Αναμενόμενα, αφού το κάθε υλικό έχει το δικό του φάσμα απορρόφησης (περιοχή συχνοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφά), ο ανιχνευτής θα λειτουργεί μόνο στη περιοχή συχνοτήτων που καθορίζεται από αυτό.
  • Μετατροπή της ενέργειας που απορροφήθηκε από την ακτινοβολία σε άλλη μορφή, μέσω φαινομένων που πυροδοτούνται από την απορρόφηση. Για παράδειγμα μπορούμε να έχουμε:
    • μεταβολή του ρεύματος που διαρρέει τη συσκευή λόγω της δημιουργίας ηλεκτρικών φορέων (ηλεκτρονίων ή ζευγών ηλεκτρονίων-οπών) που δημιουργήθηκαν μέσω διέγερσης από την έκθεση στην ακτινοβολία (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο).
    • μεταβολή της τάσης στα άκρα της συσκευής λόγω δημιουργίας από την προσπίπτουσα ακτινοβολία ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που διαχωρίζονται χωρικά (φωτοβολταϊκό φαινόμενο).
    • μετατροπή της ενέργειας σε θερμότητα λόγω διέγερσης ταλαντώσεων μέσα στο υλικό που απορροφά την ακτινοβολία και αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού. Η θερμοκρασία μπορεί να μετρηθεί μέσω ενός αντιστάτη που εξαρτάται από τη θερμοκρασία και είναι σε επαφή με το υλικό που απορροφά την ακτινοβολία.
  • Ανάγνωση της μετατροπής με κατάλληλο (συνήθως ηλεκτρονικό) σύστημα.

Εφαρμογές Φωτοανιχνευτών

Παραδοσιακά οι φωτοανιχνευτές αναπτύσσονταν και προόδευαν κυρίως λόγω των αναγκών της επιστημονικής έρευνας (αστρονομία, πυρηνική φυσική και φυσική στοιχειωδών σωματιδίων) και της εθνικής ασφάλειας (στρατιωτικές εφαρμογές και ασφάλεια συνόρων). Στις μέρες μας, όμως, στην περίπτωση του ορατού φάσματος, οι φωτοανιχνευτές έχουν γίνει μια πλήρως αναπτυγμένη καταναλωτική αγορά (γεγονός κατανοητό, αρκεί να σκεφτεί κανείς ότι κάθε κινητό έχει συνήθως δυο ενσωματωμένες κάμερες).

Μια τέτοια εξέλιξη είναι αναμενόμενη και επιδιωκόμενη για τους φωτοανιχνευτές εκτός ορατού (υπέρυθρου και υπεριώδους), χωρίς ακόμη να έχει γίνει πραγματικότητα. Πράγματι, αν και οι φωτοανιχνευτές εκτός ορατού έχουν ήδη πληθώρα εφαρμογών (χρησιμοποιούνται για παράδειγμα για τη μετάδοση δεδομένων, σε εφαρμογές νυχτερινής όρασης, για τον έλεγχο τροφίμων και φαρμάκων, την ανίχνευση πυρκαγιών, τηνόραση σε ακραίες καιρικές συνθήκες, σε κάμερες ασφαλείας, σε αισθητήρες αυτοκινήτων, σε ιατρικοί και περιβαλλοντικοί αισθητήρες), λίγες είναι οι πραγματικά καταναλωτικές εφαρμογές αυτών. Ο βασικός λόγος για αυτή την έλλειψη είναι το υψηλό κόστος των σύγχρονων φωτοανιχνευτών μη ορατής ακτινοβολίας κάτι που προς το παρόν καθιστά δύσκολη την εμπορική εκμετάλλευση τους.

Υλικά και Τεχνολογίες Φωτοανιχνευτών

Ορατό Φάσμα

Η κυρίαρχη τεχνολογία φωτοανιχνευτών για την ορατή ακτινοβολία είναι αυτή των φωτοδιόδων πυριτίου (Si). Οι συγκεκριμένες φωτοδίοδοι μπορεί να είναι:

  • τύπου p-n: πρόκειται για μια τυπική ημιαγωγική δίοδο η οποία πακετάρεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να φωτιστεί η περιοχή της επαφής των δυο τύπων ημιαγωγού, η οποία στην ανάστροφη πόλωση (n ενωμένο με το θετικό πόλο πηγής και p με τον αρνητικό) είναι η περιοχή απογύμνωσης. Ηλεκτρόνια σθένους από την περιοχή απογύμνωσης διεγείρονται πάνω από το ενεργειακό χάσμα λόγω της απορρόφησης ακτινοβολίας και αυξάνουν το ανάστροφο ρεύμα διαρροής της διόδου.
  • τύπου p-i-n: η διαφορά από τον προηγούμενο τύπο είναι ότι εισάγεται μια λεπτή περιοχή ενδογενούς ημιαγωγού (i – intrinsic) που προσφέρει φορείς και των δυο τύπων όταν φωτίζεται.
  • τύπου Schottky: είναι μια δίοδος επαφής μετάλλου-ημιαγωγού που πακετάρεται με τον ίδιο τρόπο που περιγράφηκε για την φωτοδίοδο τύπου p-n και λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο με βάση την περιοχή απογύμνωσης του ημιαγωγού.

Όμως σε κάθε περίπτωση, η κατασκευή βασίζεται σε τυπικές διαδικασίες και υλικά κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του τελικού κόστους κατασκευής και άνοιξε το δρόμο για την εμπορική εκμετάλλευση σε καταναλωτικές εφαρμογές.

Υπεριώδες Φάσμα

Η επιτυχία των φωτοανιχνευτών πυριτίου σε συνδυασμό με το γεγονός ότι το πυρίτιο έχει επαρκή απορρόφηση μέχρι τα 200nm έχει οδηγήσει στη χρησιμοποίηση των φωτοδιόδων πυριτίου και για ανίχνευση υπεριώδους ακτινοβολίας. Με δεδομένο όμως ότι η υπεριώδης ακτινοβολία έχει σαφώς μεγαλύτερο ενεργειακό περιεχόμενο από το ορατό φως, η συγκεκριμένη χρήση των φωτοδιόδων πυριτίου περιορίζει τη διάρκεια ζωής τους αυξάνοντας το κόστος εφαρμογής. Επιπρόσθετα, αφού το πυρίτιο απορροφά στο ορατό, η απόκριση του φωτοανιχνευτή θα έχει δυο συνιστώσες στην περίπτωση που υπεριώδης ακτινοβολία συνυπάρχει με ακτινοβολία υψηλότερου μήκους κύματος.

Φάσμα απορρόφησης πυριτίου – Ανακτήθηκε από https://slideplayer.com/slide/5009414/ (Διαφάνεια #4)

Μια λύση για την αντιμετώπιση και των δυο προβλημάτων είναι η χρήση φίλτρων από υλικά που απορροφούν υπεριώδη ακτινοβολία (ακόμη και χαμηλότερου μήκους κύματος από αυτό που μπορούν να ανιχνεύσουν οι φωτοδίοδοι πυριτίου) και επανεκπέμπουν ακτινοβολία στο ορατό φάσμα. Και σε αυτή την περίπτωση όμως το τελικό κόστος της εφαρμογής είναι αρκετά υψηλό, αφού στο κόστος του φωτοανιχνευτή έρχεται να προστεθεί το κόστος του φίλτρου.

Μια άλλη λύση είναι η εγκατάλειψη του πυριτίου και η κατασκευή φωτοδιόδων με χρήση ημιαγωγών υψηλού ενεργειακού χάσματος (πχ. ZnO ή ZnMnO). Σε αυτή την περίπτωση οι φωτοανιχνευτές απορροφούν μόνο στο υπεριώδες, οπότε η χρήση φίλτρων δεν είναι αναγκαία, αλλά το κόστος κατασκευής ανεβαίνει, λόγω της χρήσης μη τυπικών υλικών.

Υπέρυθρο Φάσμα

Οι φωτοανιχνευτές πυριτίου είναι απόλυτα επαρκείς για εφαρμογές στο εγγύς υπέρυθρο (μήκος κύματος μέχρι 1100nm). Δυστυχώς, το πυρίτιο παύει να απορροφά ακτινοβολία σε μήκος κύματος 1100nm και άνω. Σε τέτοια μήκη κύματος χρησιμοποιούνται είτε ετεροεπαφές με εξωτικά υλικά (πχ. HgCdTe – δες ένα παράδειγμα εδώ) ή θερμικοί αισθητήρες (βολόμετρα). . Η πρώτη λύση αυξάνει σημαντικά το κόστος κατασκευής των φωτοανιχνευτών, ενώ η δεύτερη μειώνει την ταχύτητα απόκρισης του φωτοανιχνευτή (η δημιουργία φορέων αγωγιμότητας λόγω απορρόφησης ακτινοβολίας είναι ένα φαινόμενο με τυπικό χρόνο ολοκλήρωσης πολύ μικρότερο του 1s, ενώ η μετατροπή της ακτινοβολίας σε θερμότητα εντός του υλικού και η αποκατάσταση μιας νέας υψηλότερης θερμοκρασίας είναι φαινόμενο με τυπικό χρόνο ολοκλήρωσης μεγαλύτερο του 1s).

Ένα άλλο πρόβλημα στους αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι ότι είναι ευάλωτοι στο θερμικό θόρυβο, αφού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος το ενεργειακό περιεχόμενο είναι ~26meV που είναι συγκρίσιμο με την προσπίπτουσα ενέργεια της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Για αυτό το λόγο, οι φωτοανιχνευτές υπέρυθρου συχνά λειτουργούν με ψύξη σε θερμοκρασίες πολύ κάτω των 0°C, γεγονός που επίσης αυξάνει το τελικό κόστος της διάταξης.

Αναφορές

  1. Φωτοανιχνευτές, Αγγλική Σελίδα Wikipedia
  2. Εγκυκλοπαίδεια Φωτονικής, Ιστότοπος rp-photonics
  3. Εφαρμογές Φωτοανιχνευτών, Ιστoσελίδα κοινωνικής δικτύωσης επαγγελματιών LinkedIn
  4. Τεχνολογία Φωτοδιόδων” και επόμενες ιστοσελίδες σχετικά με κάθε τύπο φωτοδιόδου, Ιστότοπος Electronics-Notes.com
  5. Οι Φωτοδίοδοι και Πως λειτουργούν”, Βίντεο Youtube για τη λειτουργία των φωτοδιόδων p-n και p-i-n
  6. Τι είναι η Φωτοδίοδος;”, Ιστότοπος ElectronicsHub.org
  7. Φωτοδίοδος”, Ιστότοπος Physics-and-Radio-Electronics.com
  8. Παραδείγματα εμπορικών αισθητήρων, Ιστότοπος εταιρείας ThorLabs. Η παρούσα αναφορά δεν αποτελεί διαφήμιση της εταιρείας και δίνεται μόνο για να δοθεί μια αίσθηση του κόστους των φωτοανιχνευτών, ειδικά όταν δεν αναφερόμαστε στο ορατό.