Wykład VIII. Detektory fotonowe

Transkrypt

1 Wykład VIII Detektory fotonowe

2 Półprzewodnik w polu elektrycznym dep F dx dv e ( x) ( e) dx dv ( x) dx ( x) const c V cx E p cex

3 Detektory fotoprzewodzące ( t) q[ n( t) p( t) ] n p n p g op n ( t) qg op [ n n p p ]

4 Detektory fotoprzewodzące Szybkość generacji: ( P/ h ) ilość nosnikow generowanych światlem/s g Wlt objętość Koncentracja nośników wygenerowanych światłem: n() t g n Fotoprąd: I p = j p Wt = V L = R Lε R L + R D V L = R D I p = R D q ηp hc τ n t r λ

5 Czułość napięciowa detektora fotoprzewodzącego Jest to stosunek wartości skutecznej napięcia sygnału wyjściowego o częstotliwości podstawowej do wartości skutecznej mocy promieniowania padającego o częstotliwości podstawowej S V = V L P V L = R D I p = R D q ηp hc τ n t r λ S V = V L P = R Dq η hc τ n t r λ * t r = l v d = l μe = l2 μv D S V = R D q η hc τ n l 2 μv Dλ Czułość jest liniową funkcją długości fali λ i przyłożonego napięcia stałego.

6 Detektory fotoprzewodzące Jeśli zdefiniuje się fotoprąd pierwotny: I 0 P q hc I p = I o τ n t r Wzmocnienie G fotoprądu w detektorze fotoprzewodzącym wyraża się wzorem: G = τ n = v dτ n t r l G (ang. gain zysk) dla detektorów fotoprzewodzących może być równy:

7 Detektory fotoprzewodzące Wydajność kwantowa, z przekształcenia wzoru * S V = V L P = R Dq η hc τ n t r λ * η = S V hc λr D q t r ~ S V τ n λ Dla małego prądu stałego płynącego przez detektor PC wskutek jego polaryzacji, dominujący jest szum Johnsona Nyquista i wówczas detekcyjność wyraża się wzorem: = S v(λ) A 4kTR D

8

9 Fotorezystory CdS - tanie : mierniki światła w aparatach fotogr., czujniki świateł ulicznych, czujniki w alarmach. PbS i InSb LDRs (light dependent resistor) są używane w tzw. średniej podczerwieni (mid-ir) Ge:Cu - daleka podczerwień (far-ir); spektroskopia w podczerwieni i astronomia w podczerwieni

10 Efekt fotoelektryczny zewnętrzny hν = W 0 + E kmax Fotokomórka

11 B.Ziętek Optoelektronika Detektory fotoemisyjne

12 Multialkaliczne (Na-K-Sb-Cs), S-20 Fotokatody

13 Bateria słoneczna i fotodioda Ogniwo słoneczne i fotodioda działają w oparciu o efekt fotowoltaiczny: światło jest absorbowane dla h E g tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze

14 Warunki wystąpienia efektu fotowoltaicznego Pod wpływem promieniowania muszą być generowane w półprzewodniku nadmiarowe nośniki ładunku dodatniego i ujemnego E f E g Nośniki nadmiarowe o różnych znakach muszą być rozdzielone przez pewną elektrostatyczną niejednorodność; Generowany swobodny nośnik musi zachować swoją ruchliwość dostatecznie długo, tak aby zdążył dotrzeć do niejednorodności powodującej rozdzielenie ładunku.

15 Złącze p-n Złącze p-n Tworzy się złącze p-n E Złącze po utworzeniu Pole elektryczne na styku dwóch półprzewodników powoduje, że prąd łatwo płynie w jednym kierunku a przepływ w drugim kierunku jest utrudniony. III LO 2017

16 Złącze p-n W stanie równowagi termodynamicznej przez złącze zawsze płynie pewien prąd nośników większościowych, zwanych prądami wstrzykiwania elektronów I ni i dziur I pi które są w stanie pokonać barierę potencjału na złączu. W stronę przeciwną płynie prąd generacji termicznej nośników mniejszościowych: elektronów I ng i dziur I pg. W stanie równowagi obydwa prądy równoważą się i wypadkowy prąd jest równy zeru.

17 Efekt fotowoltaiczny hν E g Światło jest absorbowane, tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze gdy złącze jest zwarte - płynie prąd zwarcia, I sc.

18 Złącze jest zwarte Efekt fotowoltaiczny Złącze p-n przed oświetleniem I D (A) V D (V) Bariera potencjału na złączu nie zmienia się. Gęstości prądów wstrzykiwania są takie same jak w złączu nieoświetlonym. Prądy te równoważą prądy generacji termicznej ale pozostają niezrównoważone prądy fotogeneracji. Stanowią je: strumień elektronów z obszaru p do n i dziur z n do p. I sc = qn ph E g = qp/h ν~p Prąd zwarcia jest proporcjonalny do strumienia padającego promieniowania. I sc

19 Złącze jest rozwarte Efekt fotowoltaiczny Złącze p-n przed oświetleniem Wygenerowane światłem elektrony płyną do obszaru n a dziury do obszaru p. W wyniku tego obszar typu n ładuje się ujemnie a typu p dodatnio. Taka polaryzacja obszarów złącza jest równoważna polaryzacji w kierunku przewodzenia. Wartość tego napięcia polaryzacji nazywa się fotonapięciem rozwarcia V oc. Obniżenie bariery potencjału w złączu p-n powoduje, że rośnie prąd wstrzykiwania. W stanie równowagi, ten prąd wstrzykiwania jest równoważony prądami fotogeneracji. I sc I d = 0

20 Efekt fotowoltaiczny Prąd ciemny płynący przez złącze p-n spolaryzowane napięciem V oc, wyraża się równaniem: I d = I 0 [exp( qv oc kt ) 1)] Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd fotogeneracji, czyli I sc : Po przekształceniu: V I sc = I d = I 0 [exp( qv oc kt ) 1)] oc kt Isc kt I ln( 1) ln q I q I o sc o Ponieważ I sc ~ P, to V oc ~ ln P

21 Charakterystyka I-V Światło generuje parę elektron-dziura. Pole elektryczne porusza nośniki: elektrony w stronę n a dziury w stronę p Zatem przez opornik płynie prąd wsteczny I L Ten prąd powoduje pojawienie sią spadku napięcia V na oporze R L. Napięcie V polaryzuje złącze w kierunku przewodzenia: pojawia się więc prąd I F Całkowity prąd: I = I L I F

22 B.Ziętek Optoelektronika Fotodioda tryby pracy

23 B.Ziętek Optoelektronika Fotodioda

24 Dioda i fotodioda p-i-n Obszary p i n silnie domieszkowane (kontakty omowe) Szeroki obszar zubożony W, mała pojemność C = εε 0A W Krótka stała czasowa, b. szybka dioda Pracuje jako element przełączający Odporna na duże napięcia B.Ziętek Optoelektronika 24

25 Przebicie lawinowe Występuje dla złączy słabiej domieszkowanych Pary elektron dziura powstają w wyniku jonizacji zderzeniowej w silnym polu elektrycznym : Fotodioda lawinowa B.Ziętek Optoelektronika (a) Diagram pasmowy złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym; elektron zyskuje energię kinetyczną w silnym polu elektrycznym i wytwarza parę elektron dziura w procesie jonizacji zderzeniowej; (b) Pojedyncze zderzenie (c) Powielanie jonizacji zderzeniowej. 25

26 Dioda i fotodioda lawinowa Fotodioda lawinowa (Avalanche Photodiode) Licznik pojedynczych fotonów (Single Photon Counter) B.Ziętek Optoelektronika 26

27 Rzeczywista charakterystyka czułości detektora fotonowego

28 Szum fotodiody Fotodiody mogą być realizowane na złączu p-n, p-i-n, m-s, heterozłączu. Dla fotodiody G = 1 i wydajność kwantowa wyraża się wzorem: I p q hc P S V S i R D S i qr hc D I P q hc Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona Nyquista. Ponieważ czułość napięciowa : to detekcyjność wyraża się wzorem : q RD A D * 2hc kt 2 R V ktr A D

29 Fotodioda na złączu m-s

30 Detektory fotonowe cd. Efekt fotomagnetoelektryczny (PEM). Półprzewodnik z niejednorodnością (np. z gradientem E g ). Wygenerowane ładunki poruszają się w obecności tej niejednorodności. W obecności pola magnetycznego na poruszające się ładunki działa siła Lorentza na końcach próbki pojawia się napięcie. F L = q(v B) Efekt Dembera Półprzewodnik. Dziury są mniej ruchliwe niż elektrony. Generacja światłem par elektron-dziura Elektrony docierają szybciej do nieoświetlonego końca probki. Pojawia się napięcie między końcami probki.

31 Detektory fotonowe cd. Detektory photon drag (pociąganie przez fotony) W półprzewodnikach b. silnie domieszkowanych dla długości fal występuje absorpcja przez swobodne nośniki. Fotony przekazują swój pęd nośnikom swobodnym i powodują ich ruch w kierunku zgodnym z kierunkiem propagacji fali elektromagnetycznej. Detektor Putley a. Jest to detektor na tzw. gorących nośnikach. Po oświetleniu następuje wzrost przewodnictwa. Zarówno w przypadku detektora Putley a jak i detektora photon drag zakres spektralny czułości zawarty jest w obszarze submilimetrowym i dalekiej podczerwieni. hc E g

32 Fototranzystor

33 Porównanie detektorów fotonowych Fotodetektor Wzmocnienie G Czas odpowiedzi (s) Temperatura pracy (K) Detektor fotoprzewodzący Złącze p-n Złącze p-i-n Dioda metal-półprzewodnik Dioda lawinowa Tranzystor bipolarny Tranzystor polowy

34 Detektory fotonowe