Fotodetector

Los fotodetectores se pueden clasificar según su mecanismo de detección: ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

• Efecto fotoconductor: Estos detectores funcionan modificando su conductividad eléctrica al exponerse a la luz. La luz incidente genera pares electrón-hueco en el material, alterando su conductividad. Los detectores fotoconductores suelen estar fabricados con semiconductores. ^{[ 7 ]}

• Fotoemisión o efecto fotoeléctrico: Los fotones provocan que los electrones transiten de la banda de conducción de un material a electrones libres en el vacío o en un gas.
• Térmico: Los fotones provocan que los electrones transiten a estados intermedios de la banda prohibida y luego decaigan a bandas inferiores, induciendo la generación de fonones y, por lo tanto, calor.
• Polarización : Los fotones inducen cambios en los estados de polarización de los materiales adecuados, lo que puede provocar cambios en el índice de refracción u otros efectos de polarización.
• Fotoquímico: Los fotones inducen un cambio químico en un material.
• Efectos de interacción débil: los fotones inducen efectos secundarios como en el arrastre de fotones ^{[ 8 ] [ 9 ]} detectores o cambios en la presión del gas en las celdas de Golay .

Los fotodetectores pueden utilizarse en diferentes configuraciones. Un solo sensor puede detectar los niveles generales de luz. Una matriz unidimensional de fotodetectores, como en un espectrofotómetro o un escáner lineal , puede utilizarse para medir la distribución de la luz a lo largo de una línea. Una matriz bidimensional de fotodetectores puede utilizarse como sensor de imagen para formar imágenes a partir del patrón de luz que incide sobre él.

Un fotodetector o un conjunto de fotodetectores suele estar cubierto por una ventana de iluminación, que a veces cuenta con un revestimiento antirreflectante .

Según su estructura, los fotodetectores se pueden clasificar en las siguientes categorías:

1. Fotodetector MSM: Un fotodetector metal-semiconductor-metal (MSM) consta de una capa semiconductora intercalada entre dos electrodos metálicos. Los electrodos metálicos están interdigitados, formando una serie de dedos o rejillas alternadas. La capa semiconductora suele estar hecha de materiales como silicio (Si), arseniuro de galio ( GaAs), fosfuro de indio (InP) o seleniuro de antimonio (Sb₂Se₃ ₎ . ^[ ₇ ^] Se emplean diversos métodos para mejorar sus características, como la manipulación de la estructura vertical, el grabado, el cambio del sustrato y la utilización de plasmónica. ^{[ 10 ] Los} fotodetectores de seleniuro de antimonio muestran la mejor eficiencia alcanzable.
2. Fotodiodos: Los fotodiodos son el tipo más común de fotodetectores. Son dispositivos semiconductores con una unión PN. La luz incidente genera pares electrón-hueco en la región de agotamiento de la unión, produciendo una fotocorriente. Los fotodiodos se pueden clasificar en: a. Fotodiodos PIN: Estos fotodiodos tienen una región intrínseca (I) adicional entre las regiones P y N, que extiende la región de agotamiento y mejora el rendimiento del dispositivo. b. Fotodiodos Schottky: En los fotodiodos Schottky, se utiliza una unión metal-semiconductor en lugar de una unión PN. Ofrecen una respuesta de alta velocidad y se utilizan comúnmente en aplicaciones de alta frecuencia.
3. Fotodiodos de avalancha (APD): Los APD son fotodiodos especializados que incorporan la multiplicación por avalancha. Poseen una región de alto campo eléctrico cerca de la unión PN, lo que provoca ionización por impacto y produce pares electrón-hueco adicionales. Esta amplificación interna mejora la sensibilidad de detección. Los APD se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren alta sensibilidad, como la obtención de imágenes con poca luz y la comunicación óptica de larga distancia. ^{[ 11 ]}
4. Fototransistores: Los fototransistores son transistores con una región de base sensible a la luz. La luz incidente provoca un cambio en la corriente de base, que controla la corriente del colector del transistor. Los fototransistores ofrecen amplificación y pueden utilizarse en aplicaciones que requieren tanto detección como amplificación de la señal.
5. Dispositivos de carga acoplada (CCD): Los CCD son sensores de imagen compuestos por una matriz de pequeños condensadores. La luz incidente genera carga en los condensadores, que se lee y procesa secuencialmente para formar una imagen. Los CCD se utilizan comúnmente en cámaras digitales y aplicaciones de imagen científica.
6. Sensores de imagen CMOS (CIS): Los sensores de imagen CMOS se basan en la tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS). Integran fotodetectores y circuitos de procesamiento de señal en un solo chip. Los sensores de imagen CMOS han ganado popularidad debido a su bajo consumo de energía, alta integración y compatibilidad con los procesos de fabricación CMOS estándar.
7. Tubos fotomultiplicadores (PMT): Los PMT son fotodetectores basados ​​en tubos de vacío. Constan de un fotocátodo que emite electrones al ser iluminado, seguido de una serie de dinodos que multiplican la corriente de electrones mediante emisión secundaria. Los PMT ofrecen alta sensibilidad y se utilizan en aplicaciones que requieren detección con poca luz, como experimentos de física de partículas y detectores de centelleo.

Estos son algunos de los fotodetectores más comunes, según su estructura. Cada tipo tiene sus propias características, ventajas y aplicaciones en diversos campos, como la imagen, la comunicación, la detección y la investigación científica.

• Los detectores de ionización gaseosa se utilizan en física de partículas experimental para detectar fotones y partículas con la energía suficiente para ionizar átomos o moléculas de gas. Los electrones e iones generados por la ionización producen una corriente eléctrica que puede medirse.
• Tubos fotomultiplicadores que contienen un fotocátodo que emite electrones cuando se ilumina; estos electrones son luego amplificados por una cadena de dinodos .
• Fototubos que contienen un fotocátodo que emite electrones cuando se ilumina, de manera que el tubo conduce una corriente proporcional a la intensidad de la luz .
• Los detectores de placa de microcanales utilizan un sustrato de vidrio poroso como mecanismo para multiplicar electrones. Se pueden usar en combinación con un fotocátodo como el fotomultiplicador descrito anteriormente, donde el sustrato de vidrio poroso actúa como una etapa de dinodo.

• Los sensores de píxeles activos (APS) son sensores de imagen . Generalmente fabricados mediante un proceso de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS), y también conocidos como sensores de imagen CMOS, los APS se utilizan comúnmente en cámaras de teléfonos móviles, cámaras web y algunas cámaras réflex digitales (DSLR ).
• Los detectores de radiación de telururo de cadmio y zinc pueden funcionar en modo de conversión directa (o fotoconductor) a temperatura ambiente, a diferencia de otros materiales (en particular el germanio) que requieren refrigeración con nitrógeno líquido. Entre sus ventajas relativas se incluyen una alta sensibilidad a los rayos X y gamma, debido a los elevados números atómicos del Cd y el Te, y una mejor resolución energética que los detectores de centelleo.
• Los dispositivos de carga acoplada (CCD) son sensores de imagen que se utilizan para registrar imágenes en astronomía , fotografía digital y cinematografía digital . Antes de la década de 1990, las placas fotográficas eran las más comunes en astronomía. La siguiente generación de instrumentos astronómicos, como el Astro-E2 , incluye detectores criogénicos .
• Detectores infrarrojos de HgCdTe . La detección se produce cuando un fotón infrarrojo con energía suficiente expulsa un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Este electrón es captado por un circuito integrado de lectura (ROIC) externo adecuado y transformado en una señal eléctrica.
• LEDs polarizados inversamente para funcionar como fotodiodos. Véase LEDs como sensores de luz fotodiodos .
• Fotorresistencias o resistencias dependientes de la luz (LDR) que cambian su resistencia según la intensidad de la luz . Normalmente, la resistencia de las LDR disminuye al aumentar la intensidad de la luz que incide sobre ellas. ^{[ 13 ]}
• Fotodiodos que pueden operar en modo fotovoltaico o fotoconductor . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Los fotodiodos se combinan a menudo con electrónica analógica de bajo ruido para convertir la fotocorriente en un voltaje que se puede digitalizar . ^{[ 16 ] [ 17 ]}
• Los fototransistores , que actúan como fotodiodos amplificadores.
• Los fotodiodos fijados , una estructura de fotodetector con baja latencia , bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura , se utilizan ampliamente en la mayoría de los sensores de imagen CCD y CMOS. ^{[ 18 ]}
• Fotoconductores o fotodiodos de puntos cuánticos , capaces de manejar longitudes de onda en las regiones espectrales visible e infrarroja.
• Los detectores semiconductores se emplean en espectrometría de rayos gamma y rayos X, así como detectores de partículas.
• Los detectores de deriva de silicio (SDD) son detectores de radiación de rayos X utilizados en espectrometría de rayos X (EDS) y microscopía electrónica (EDX). ^{[ 19 ]}

• Las células fotovoltaicas o células solares producen un voltaje y suministran una corriente eléctrica cuando la luz solar o ciertos tipos de luz inciden sobre ellas.

• Los bolómetros miden la potencia de la radiación electromagnética incidente mediante el calentamiento de un material con una resistencia eléctrica que depende de la temperatura. Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro que se utiliza como detector en una cámara térmica .
• Los detectores criogénicos son suficientemente sensibles para medir la energía de fotones individuales de rayos X , visibles e infrarrojos . ^{[ 20 ]}
• Los detectores piroeléctricos detectan los fotones a través del calor que generan y el voltaje subsiguiente que se produce en los materiales piroeléctricos.
• Las termopilas detectan la radiación electromagnética a través del calor, generando así un voltaje en los termopares .
• Las células de Golay detectan los fotones por el calor que generan en una cámara llena de gas, lo que provoca que el gas se expanda y deforme una membrana flexible cuya deflexión se mide.

• Las células fotorreceptoras de la retina detectan la luz, por ejemplo, mediante una cascada química inducida por fotones y mediada por la rodopsina .
• Detectores químicos, como las placas fotográficas , en los que una molécula de haluro de plata se divide en un átomo de plata metálica y un átomo de halógeno. El revelador fotográfico provoca que las moléculas adyacentes se dividan de forma similar.

• El efecto fotorrefractivo se utiliza en el almacenamiento holográfico de datos .
• Los fotodetectores sensibles a la polarización utilizan materiales ópticamente anisotrópicos para detectar fotones de una polarización lineal deseada . ^{[ 21 ]}

Se ha demostrado que una heteroestructura de grafeno/silicio tipo n presenta un comportamiento rectificador fuerte y una alta fotorrespuesta. El grafeno se acopla con puntos cuánticos de silicio (Si QDs) sobre silicio masivo para formar un fotodetector híbrido. Los Si QDs provocan un aumento del potencial interno de la unión Schottky de grafeno/silicio, al tiempo que reducen la reflexión óptica del fotodetector. Tanto las contribuciones eléctricas como ópticas de los Si QDs permiten un rendimiento superior del fotodetector. ^{[ 22 ]}