光検出器

光検出器は光センサーとも呼ばれ、光やその他の電磁放射線のセンサーです。^[1]光検出器にはさまざまな種類があり、光電効果や光化学効果などの検出メカニズム、またはスペクトル応答などのさまざまな性能基準によって分類できます。半導体ベースの光検出器は通常、光子を電荷に変換するp-n接合を使用します。吸収された光子は空乏領域で電子と正孔の対を作ります。フォトダイオードとフォトトランジスタは光検出器の例です。太陽電池は吸収された光エネルギーの一部を電気エネルギーに変換します。

光検出器は、動作メカニズムとデバイス構造に基づいて分類できます。一般的な分類は次のとおりです。

光検出器は検出機構によって分類できる：^{[2] [信頼できない情報源？ ] [3] [4]}

• 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性を変化させることで機能します。入射光は材料内に電子正孔対を生成し、その伝導性を変化させます。光伝導検出器は通常、半導体で作られています。^[5]

• 光電子放出または光電効果: 光子は、電子を物質の伝導帯から真空またはガス内の自由電子に遷移させます。
• 熱: 光子は電子を中間ギャップ状態に遷移させ、その後低いバンドに戻って崩壊し、フォノンの生成と熱を引き起こします。
• 偏光: 光子は適切な材料の偏光状態の変化を引き起こし、屈折率の変化やその他の偏光効果につながる可能性があります。
• 光化学: 光子は物質に化学変化を引き起こします。
• ^{弱い相互作用効果：光子は光子抵抗[6] [7]検出器や}ゴレイセル内のガス圧変化などの二次的効果を引き起こします。

光検出器は、さまざまな構成で使用できます。単一のセンサーで全体の光レベルを検出できます。分光光度計やライン スキャナーなどの光検出器の 1 次元アレイは、線に沿った光の分布を測定するために使用できます。光検出器の 2 次元アレイは、画像センサーとして使用して、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、照明ウィンドウで覆われており、反射防止コーティングが施されている場合もあります。

デバイス構造に基づいて、光検出器は次のカテゴリに分類できます。

1. MSM光検出器：金属-半導体-金属（MSM）光検出器は、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。金属電極は互いに噛み合って、一連の交互の指またはグリッドを形成します。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）、またはセレン化アンチモン（Sb ₂ Se ₃）などの材料で作られています。^[5]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、さまざまな方法が併用されて特性が向上しています。^[8]達成可能な最高の効率は、セレン化アンチモン光検出器によって示されています。
2. フォトダイオード:フォトダイオードは最も一般的なタイプの光検出器です。PN 接合を持つ半導体デバイスです。入射光により、接合の空乏領域に電子正孔対が生成され、光電流が発生します。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には、P 領域と N 領域の間に追加の固有 (I) 領域があり、空乏領域が拡張されてデバイスのパフォーマンスが向上します。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よく使用されます。
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接合の近くに高電界領域があり、衝撃イオン化を引き起こし、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、低光量イメージングや長距離光通信など、高感度が求められるアプリケーションで広く使用されています。^[9]
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、トランジスタのコレクタ電流が制御されます。フォトトランジスタは増幅機能を備えており、検出と信号増幅の両方を必要とするアプリケーションで使用できます。
5. 電荷結合素子 (CCD): CCD は、小さなコンデンサの配列で構成されたイメージング センサーです。入射光によってコンデンサに電荷が生成され、それが順次読み取られて処理され、画像が形成されます。CCD は、デジタル カメラや科学的なイメージング アプリケーションでよく使用されます。
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 つのチップに統合されています。CMOS イメージ センサーは、消費電力が低く、統合度が高く、標準の CMOS 製造プロセスと互換性があるため、人気が高まっています。
7. 光電子増倍管 (PMT): PMT は真空管ベースの光検出器です。光が当たると電子を放出する光電陰極と、二次放出によって電子電流を増幅する一連のダイノードで構成されています。PMT は高感度で、粒子物理学実験やシンチレーション検出器など、低光量検出を必要とするアプリケーションで使用されます。

これらは、デバイス構造に基づいた一般的な光検出器の一部です。各タイプには独自の特性、利点があり、イメージング、通信、センシング、科学研究など、さまざまな分野での用途があります。

光検出器の特性を比較するための指標として、性能指数と呼ばれる指標が数多くある^{[2] [3]。}

• 量子効率: 光子あたりに生成されるキャリア（電子または正孔）の数。
• 応答性: 出力電流を光検出器に当たる総光パワーで割った値。
• ノイズ等価電力:デバイスのノイズと同等の大きさの信号を生成するために必要な光電力の量。
• 検出能: 検出器面積をノイズ等価電力で割った値の平方根。
• ゲイン: 光検出器の出力電流を、検出器に入射する光子によって直接生成される電流で割ったもの、つまり組み込み電流ゲイン。
• 暗電流: 光がない場合でも光検出器を流れる電流。
• 応答時間: 光検出器が最終出力の 10% から 90% に達するまでに必要な時間。
• ノイズ スペクトル: 周波数の関数としての固有のノイズ電圧または電流。これは、ノイズ スペクトル密度の形式で表すことができます。
• 非線形性：RF出力は光検出器の非線形性によって制限される^[10]
• スペクトル応答: 光子周波数の関数としての光検出器の応答。

メカニズム別にグループ化すると、光検出器には次のデバイスが含まれます。

• 気体イオン化検出器は、気体原子または分子をイオン化するのに十分なエネルギーを持つ光子と粒子を検出するために、実験粒子物理学で使用されます。イオン化によって生成された電子とイオンは、測定可能な電流の流れを引き起こします。
• 光電子増倍管には光が当たると電子を放出する光電陰極が含まれており、その電子は一連のダイノードによって増幅されます。
• 光電管には光が当たると電子を放出する光電陰極が内蔵されており、光の強さに比例した電流が流れます。
• マイクロチャネルプレート検出器は、電子を増倍する機構として多孔質ガラス基板を使用する。上記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ステージとして機能する。

• 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、Web カメラ、一部のDSLRでよく使用されます。
• カドミウム亜鉛テルル化放射線検出器は、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。相対的な利点としては、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、シンチレータ検出器よりもエネルギー分解能が優れていることが挙げられます。
• 電荷結合素子(CCD) は、天文学、デジタル写真、デジタル映画撮影で画像を記録するために使用される画像センサーです。1990 年代以前は、天文学では写真乾板が最も一般的でした。Astro -E2などの次世代の天文機器には、極低温検出器が搭載されています。^{[更新が必要]}
• HgCdTe赤外線検出器。十分なエネルギーを持つ赤外線光子が電子を価電子帯から伝導帯に蹴り出すと、検出が行われます。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。
• 逆バイアスされてフォトダイオードとして機能するLED 。フォトダイオード光センサーとしての LED を参照してください。
• 光抵抗器または光依存抵抗器（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、それに当たる光の強度が増加するにつれて減少します。^[11]
• 光起電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。^{[12] [ 13]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機器と組み合わせられることが多い。^{[14] [15]}
• フォトトランジスタは増幅フォトダイオードのように動作します。
• ピンフォトダイオードは、低遅延、低ノイズ、高量子効率、低暗電流の光検出器構造で、ほとんどのCCDおよびCMOSイメージセンサーに広く使用されています。^[16]
• 可視および赤外線スペクトル領域の波長を処理できる量子ドット光伝導体またはフォトダイオード。
• 半導体検出器は、ガンマ線やX線分光法、粒子検出器として使用されます。^[要出典]
• シリコンドリフト検出器（SDD）は、X線分光法（EDS）や電子顕微鏡法（EDX）で使用されるX線放射線検出器である。^[17]

• 太陽光や特定の種類の光が当たると電圧を生成し、電流を供給する光電池または太陽電池。

• ボロメータは、温度に依存する電気抵抗を持つ材料の加熱を介して、入射する電磁放射のパワーを測定します。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定のタイプのボロメータです。
• 極低温検出器は、単一のX線、可視光線、赤外線 光子のエネルギーを測定するのに十分な感度を持っています。^[18]
• 焦電検出器は、光子が発生する熱と、それに続く焦電材料で発生する電圧を通じて光子を検出します。
• サーモパイルは熱を介して電磁放射を検出し、熱電対に電圧を生成します。
• ゴレイ セルは、ガスが満たされたチャンバー内で発生する熱によって光子を検出し、ガスを膨張させて柔軟な膜を変形させ、そのたわみを測定します。

• 網膜の光受容細胞は、例えばロドプシン光子誘発化学カスケードを通じて光を検出します。
• 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の原子とハロゲン原子に分裂します。写真現像液は、隣接する分子を同様に分裂させます。

• 光屈折効果はホログラフィックデータストレージに使用されます。
• 偏光感度光検出器は光学的に異方性の材料を使用して、所望の直線偏光の光子を検出します。^[19]

グラフェン/n型シリコンヘテロ接合は、強力な整流作用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上のシリコン量子ドット（Si QD）と結合して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蔵電位を増加させ、光検出器の光反射を低減する。Si QDの電気的寄与と光学的寄与の両方が光検出器の優れた性能を可能にする。^[20]

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