光検出器

光検出器は検出メカニズムによって分類されることがある。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

• 光伝導効果：これらの検出器は、光にさらされると電気伝導率が変化することによって機能します。入射光は材料中に電子-正孔対を生成し、その伝導率を変化させます。光伝導検出器は通常、半導体でできています。^{[ 7 ]}

• 光電子放出または光電効果：光子によって、物質の伝導帯にある電子が真空または気体中の自由電子に遷移する現象。
• 熱：光子によって電子がバンドギャップの中間状態に遷移し、その後低いバンドに崩壊することでフォノンが発生し、熱が生じる。
• 偏光：光子は適切な物質の偏光状態に変化を引き起こし、その結果、屈折率の変化やその他の偏光効果が生じる可能性がある。
• 光化学反応：光子が物質に化学変化を引き起こす。
• ^{弱い相互作用効果：光子は、光子ドラッグ[ 8 ] [ 9 ]}検出器やゴレイセル内のガス圧変化などの二次効果を引き起こします。

光検出器は様々な構成で使用できます。単一のセンサーは、全体の光量レベルを検出できます。分光光度計やラインスキャナのように、光検出器を1次元アレイ状に配置することで、線に沿った光の分布を測定できます。また、光検出器を2次元アレイ状に配置することで、イメージセンサーとして、その前の光のパターンから画像を形成することができます。

光検出器またはアレイは通常、照明窓で覆われており、場合によっては反射防止コーティングが施されている。

デバイス構造に基づいて、光検出器は以下のカテゴリに分類できます。

1. MSMフォトディテクタ：金属-半導体-金属（MSM）フォトディテクタは、2つの金属電極の間に挟まれた半導体層で構成されています。金属電極は櫛形になっており、交互に並んだフィンガーまたはグリッドを形成しています。半導体層は通常、シリコン（Si）、ガリウムヒ素（GaAs）、リン化インジウム（InP）、またはアンチモンセレン（Sb ₂ Se ₃）などの材料でできています。^{[ 7 ]}垂直構造の操作、エッチング、基板の変更、プラズモニクスの利用など、さまざまな方法が組み合わされて特性を改善しています。^{[ 10 ]}アンチモンセレンフォトディテクタは、達成可能な最高の効率を示しています。
2. フォトダイオード:フォトダイオードは最も一般的な光検出器です。PN接合を持つ半導体デバイスです。入射光が接合部の空乏層で電子-正孔対を生成し、光電流を発生させます。フォトダイオードはさらに次のように分類できます。a. PINフォトダイオード: これらのフォトダイオードは、P領域とN領域の間に追加の真性(I)領域を持ち、空乏層を拡張してデバイスの性能を向上させます。b. ショットキーフォトダイオード: ショットキーフォトダイオードでは、PN接合の代わりに金属-半導体接合が使用されます。高速応答を提供し、高周波アプリケーションで一般的に使用されます。
3. アバランシェフォトダイオード（APD）： APDは、アバランシェ増倍を組み込んだ特殊なフォトダイオードです。PN接合付近に高電界領域があり、衝撃電離を起こして追加の電子-正孔対を生成します。この内部増幅により検出感度が向上します。APDは、低照度イメージングや長距離光通信など、高感度を必要とするアプリケーションで広く使用されています。^{[ 11 ]}
4. フォトトランジスタ：フォトトランジスタは、光に敏感なベース領域を持つトランジスタです。入射光によってベース電流が変化し、それがトランジスタのコレクタ電流を制御します。フォトトランジスタは増幅機能を持ち、検出と信号増幅の両方を必要とする用途に使用できます。
5. 電荷結合素子（CCD）： CCDは、微小なコンデンサのアレイで構成されたイメージセンサーです。入射光によってコンデンサに電荷が発生し、それが順次読み取られて処理されることで画像が形成されます。CCDは、デジタルカメラや科学画像処理アプリケーションで広く使用されています。
6. CMOSイメージセンサー（CIS）： CMOSイメージセンサーは、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）技術に基づいています。光検出器と信号処理回路が1つのチップ上に集積されています。CMOSイメージセンサーは、低消費電力、高集積度、および標準的なCMOS製造プロセスとの互換性により、広く普及しています。
7. 光電子増倍管（PMT）： PMTは真空管を用いた光検出器です。光電陰極が光を照射すると電子を放出し、その後、二次電子放出によって電子電流を増幅する一連のダイノードが続きます。PMTは高感度であり、素粒子物理学実験やシンチレーション検出器など、低光量での検出が求められる用途で使用されます。

これらは、デバイス構造に基づいた一般的な光検出器の例です。それぞれのタイプには、イメージング、通信、センシング、科学研究など、さまざまな分野における独自の特性、利点、および用途があります。

• 気体イオン化検出器は、実験的な素粒子物理学において、気体原子や分子をイオン化するのに十分なエネルギーを持つ光子や粒子を検出するために用いられる。イオン化によって生成された電子やイオンは電流を発生させ、その電流を測定することができる。
• 光電子増倍管は、光が当たると電子を放出する光電陰極を含み、放出された電子はダイノードの連鎖によって増幅される。
• 光電管は、光を照射すると電子を放出する光電陰極を含み、光強度に比例した電流を流す。
• マイクロチャンネルプレート検出器は、多孔質ガラス基板を電子増倍機構として利用する。これらは、上述の光電子増倍管のような光電陰極と組み合わせて使用​​することができ、多孔質ガラス基板はダイノード段として機能する。

• アクティブピクセルセンサー（APS）はイメージセンサーの一種です。通常、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスで製造され、CMOSイメージセンサーとも呼ばれるAPSは、携帯電話のカメラ、ウェブカメラ、一部のデジタル一眼レフカメラなどで広く使用されています。
• カドミウム亜鉛テルル放射線検出器は、液体窒素冷却を必要とする他の材料（特にゲルマニウム）とは異なり、室温で直接変換（または光伝導）モードで動作できます。その利点としては、CdとTeの原子番号が大きいため、X線とガンマ線に対する感度が高く、シンチレーター検出器よりもエネルギー分解能が優れている点が挙げられます。
• 電荷結合素子（CCD）は、天文学、デジタル写真、デジタル映画撮影において画像を記録するために使用されるイメージセンサーです。1990年代以前は、天文学では写真乾板が最も一般的でした。次世代の天文観測機器、例えばAstro-E2などは、極低温検出器を搭載しています。
• HgCdTe赤外線検出器。検出は、十分なエネルギーを持つ赤外線光子が価電子帯から伝導帯へ電子を弾き飛ばす際に起こります。このような電子は、適切な外部読み出し集積回路（ROIC）によって収集され、電気信号に変換されます。
• 逆バイアスを印加してフォトダイオードとして機能させるLED。LEDをフォトダイオード光センサーとして使用する例を参照してください。
• 光抵抗器または光依存性抵抗器（LDR）は、光の強度に応じて抵抗値が変化します。通常、LDRの抵抗値は、照射される光の強度が増加するにつれて減少します。^{[ 13 ]}
• 光起電力モードまたは光伝導モードで動作できるフォトダイオード。^{[ 14 ] [ 15 ]}フォトダイオードは、光電流をデジタル化可能な電圧に変換するために、低ノイズのアナログ電子回路と組み合わせて使用​​されることが多い。^{[ 16 ] [ 17 ]}
• フォトトランジスタは、増幅型フォトダイオードのように機能します。
• ピン留めフォトダイオードは、低遅延、低ノイズ、高量子効率、低暗電流のフォトディテクタ構造であり、ほとんどのCCDおよびCMOSイメージセンサーで広く使用されています。^{[ 18 ]}
• 量子ドット光伝導体またはフォトダイオードは、可視光および赤外線スペクトル領域の波長を扱うことができる。
• 半導体検出器は、ガンマ線およびX線分光法、ならびに粒子検出器として用いられる。
• シリコンドリフト検出器（SDD）は、X線分光法（EDS）および電子顕微鏡法（EDX）で使用されるX線放射線検出器です。 ^{[ 19 ]}

• 光起電力セルまたは太陽電池は、太陽光や特定の種類の光が当たると電圧を発生させ、電流を供給する。

• ボロメータは、温度依存性の電気抵抗を持つ物質の加熱を利用して、入射電磁放射のパワーを測定する。マイクロボロメータは、サーマルカメラの検出器として使用される特殊なタイプのボロメータである。
• 極低温検出器は、単一のX線、可視光、赤外線光子のエネルギーを測定するのに十分な感度を備えています。^{[ 20 ]}
• 焦電型検出器は、光子が発する熱と、それに伴って焦電材料に発生する電圧を利用して光子を検出する。
• 熱電対は、熱によって電磁波を検出し、熱電対に電圧を発生させる。
• ゴレイセルは、ガスが充填されたチャンバー内で光子が発生させる熱によってガスが膨張し、柔軟な膜が変形することで生じるたわみを測定することで光子を検出する。

• 網膜の光受容細胞は、例えばロドプシンという光子誘発性の化学反応カスケードを通して光を感知する。
• 写真乾板などの化学検出器では、ハロゲン化銀分子が金属銀原子とハロゲン原子に分解される。写真現像液は、隣接する分子も同様に分解させる。

• 光屈折効果はホログラフィックデータストレージに利用されている。
• 偏光感応型光検出器は、光学的に異方性のある材料を使用して、目的の直線偏光の光子を検出します。^{[ 21 ]}

グラフェン/n型シリコンヘテロ接合は、強い整流特性と高い光応答性を示すことが実証されている。グラフェンはバルクSi上にシリコン量子ドット（Si QD）と結合され、ハイブリッド光検出器を形成する。Si QDは、グラフェン/Siショットキー接合の内部電位を増加させると同時に、光検出器の光反射を低減する。Si QDの電気的および光学的寄与の両方により、光検出器の優れた性能が実現される。^{[ 22 ]}