Fotodetektor. Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 ma/mw. nachylenie = czułość (ma/mw) Prąd wyjściowy (ma)

Transkrypt

1 Detektory Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela

2 Fotodetektor Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w systemach światłowodowych jest liniowa. Prąd wyjściowy (ma) P nachylenie = czułość (ma/mw) Optyczna moc wejściowa (mw) Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 ma/mw (c) Sergiusz Patela Detektory 2

3 Liniowy odbiornik światłowodowy Układ dopasowująco -korekcyjny Transformator prądowy Fotodetektor liniowy Wzmacniacz CATV Transformator prądu, poprzez dopasowanie fotodiody i wzmacniacza pozwala zmniejszyć szumy modułu detekcji Schemat szerokopasmowego odbiornika optycznego zawiera: układ dopasowania impedancji fotodiody transformator prądowy wzmacniacz w.cz. (c) Sergiusz Patela Detektory 3

4 Elementy składowe układu detekcji sygnał optyczny Fotodioda wzmacniacz Filtr dolnoprzep. Układ decyzyjny dane Zasilacz ARW. Synchronizacja (clock recovery) Detektor (front-end) Kanał liniowy Regeneracja sygnału (c) Sergiusz Patela Detektory 4

5 Klasyfikacja detektorów Detektory możemy klasyfikować ze względu na: 1. Fizyczne zasady działania (termiczne, kwantowe) 2. Zastosowanie (telekomunikacja,..., astronomia) 3. Konstrukcję (elementy pojedyncze,..., linijki detektorów CCD) Jeżeli jako konstruktorzy przystąpimy do projektowania zamówionego system, może okazać się przydatny inny system klasyfikacji, np.: spektrum czułości (zakres widmowy) czułość (liczniki fotonów,..., detektory mocy) używane materiały (metal, półprzewodnik, dielektryk) cena (fotoprzewodnik! fotodioda! fotopowielacz) (c) Sergiusz Patela Detektory 5

6 Klasyfikacja detektorów za względu na zasadę działania 1. detektory kwantowe (oddziaływanie kwantowe między światłem i elektronami): fotoemisja (zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne), fotoprzewodnictwo (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne), efekt fotowoltaiczny. 2. detektory termiczne: efekt termoelektryczny, termorezystancja, efekt piroelektryczny, detektory pneumatyczne. (c) Sergiusz Patela Detektory 6

7 Czułość widmowa detektorów detektor termiczny Czułość [jedn. dow] 1 0 idealny detektor kwantowy rzeczywisty detektor kwantowy długość fali [nm] E [ ev ] = 1,24 λ [ µ m] (c) Sergiusz Patela Detektory 7

8 Podstawy E d E a fotony d - + elektron - + dziura hν E g Fotoprzewodnictwo. W fotoprzewodniku absorpcja fotonów o energii hν zwiększa przewodnictwo półprzewodnika. Jeżeli elektron otrzyma od fotonu ilość energii odpowiednią do pokonania przerwy zabronionej E g w materiale powstanie para elektron - dziura (elektron w paśmie przewodnictwa i dziura w paśmie walencyjnym). W obecności pola elektrycznego dziury i elektrony poruszają się w przeciwnych kierunkach (c) Sergiusz Patela Detektory 8

9 Efektywność kwantowa Foto-prąd jest proporcjonalny do mocy padającego światła: I p = RP in gdzie R - czułość [A/W] Efektywność kwantowa: liczba wygenerowanych elektronów η = liczba padająadaj fotonów = I P in p q hν = hν q R stąd czułość: R ηq ηλ =, / hν 1,24 ( ν = c λ) λ = [µm], q = 1,602*10-19 C, c = 3*10 8 m/s, h = 6,62*10-34 J.s (c) Sergiusz Patela Detektory 9

10 Zależność czułości detektora od współczynnika absorpcji tr ( ) P in P = exp αd P abs = P P = exp in tr [ 1 ( αd )] P in Liczba fotonów ~P in, liczba generowanych elektronów ~P abs stąd efektywność kwantowa: Pabs η = = 1 exp( αd ) η = 0 dla α = 0, Pin η 1 dla αd >> 1 (jeżeli wsp. odbicia R>0) η = ( 1 R) [ 1 exp( αd )] R ~ λ (c) Sergiusz Patela Detektory 10

11 Współczynniki absorpcji różnych półprzewodników 10 5 Ge 10-1 współczynnik absorpcji [cm -1 ] GaAs GaAs Si In.7 Ga.3 As.64 P.36 In.53 Ga.47 As głębokość wnikania [µm] ,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 długość fali [µm] (c) Sergiusz Patela Detektory 11

12 Światłowodowa dioda PIN Pokrycie antyrefleksyjne Rdzeń włókna Pokrycie włókna Padające światło Kontakt metalowy (-) Elektron Obszar P+ Obszar samoistny Dziura Elektron - Dziura Obszar N+ Kontakt metalowy (+) Dioda PIN tworzona jest przez trzy obszary półprzewodnika: p, samoistny (i) oraz n (c) Sergiusz Patela Detektory 12

13 Dioda lawinowa (APD) - konstrukcja światłowodowa Rdzeń włókna Pokrycie włókna Pokrycie antyrefleksyjne Padające światło Kontakt metalowy (+) Obszar N + Pole elektryczne P region Obszar P + Kontakt metalowy (-) APD - fotodioda, która wykazuje wewnętrzne wzmocnienie, realizowane przez lawinowe powielanie nośników w obszarze złącza. (c) Sergiusz Patela Detektory 13

14 Schematy podstawowych detektorów półprzewodnikowych Kontakt pierścieniowy p+ i n+ Kontakt n PIN Kontakt (n) n n+ Półprzepuszczalny kontakt Au p+ i Elektrody międzypalczaste n+ π n+ APD (Avalanche Photo Diode) SI (semi insulating) SI Dioda Schotky'ego MSM (c) Sergiusz Patela Detektory 14

15 Detektory kwantowe - wybrane parametry katalogowe Parametr Si-PIN Si-APD fotopowielacz Średnica aktywna-mm 0.1 do > do16 kilka do > 50 Zakres spektralny-nm 185 do do do 700 Efektywność kwantowa max Czułość Średnia Duża Duża Wymagana polaryzacja V V kilka kv Odporność na przeciążenia Bardzo dobra Bardzo dobra Zła-Średnia Wielkość Mała Mała Średnia-Duża Czas uruchomienia <1 µm <1 µm sek. do godz. Czas życia > 10 lat > 10 lat Zależy od syg. Łatwość użytkowania Prosta Średnia Średnia Cena Mała Średnia Średnia-Wysoka (c) Sergiusz Patela Detektory 15

16 Charakterystyki widmowe diody krzemowej 0.7 Ultrafiolet Widzialne Podczerwień Czułość [A/W] Niebieska UV+ Normalna fotodioda krzemowa Długość fali [nm] (c) Sergiusz Patela Detektory 16

17 Porównanie czułości detektorów Moc [W] 1E-7 1E-8 Diody PIN Fotopowielacz 500 nm, efekt. kw. 25% SNR = 5 BER = E-9 Fotodiody lawinowe 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 10k 100k 1M 10M 100M 1G Częstotliwość [Hz] (c) Sergiusz Patela Detektory 17

18 Wzmacniacze obrazu - zasada działania Fotokatoda Ekran fluorescencyjny półprze puszczlna Pole elektryczne E Swiatło wyjściowe +600V (c) Sergiusz Patela Detektory 18

19 Fotopowielacz Elektroda ogniskująca Ostatnia dynoda Swiatło Elektrony wtorne Próżnia 10-4 Pa Okno Wejściowe Fotokatoda Dynody Anoda Cokół lampy Fotopowielacz to lampa elektronowa o szklanej, metalowej lub ceramicznej obudowie, zawierająca fotokatodę która oświetlona emituje elektrony. Dynody emitują elektrony wtórne zbierane ostatecznie przez anodę (c) Sergiusz Patela Detektory 19

20 Termopara Złącze pomiarowe Absorber Złącze odniesienia Metal B Metal A Metal B V Stała Seebecka ~kilka µv/ C, maksymalnie BiSb 100 µv/ C (c) Sergiusz Patela Detektory 20

21 Termorezystor Element (absorber) aktywny BOLOMETR (c) Sergiusz Patela Detektory 21

22 Detektor piroelektryczny Promieniowanie Vb JFET 10E11 Ohm 10E6 Ohm Sygnał 10E10 Ohm - + Wzmacniacz operacyjny Sygnał Detektor Pyroelektryczny (c) Sergiusz Patela Detektory 22

23 Komórka Golay a Zbiornik pneumatyczny Membrana Źródło światła Promieniowanie Gaz Okno Element absorpcyjny Detektor Komórka Golay a. Połączenie elementów: pneumatycznego, optycznego, dodatkowego źródła światła, detektora półprzewodnikowego (c) Sergiusz Patela Detektory 23

24 Detektor CCC-zasada działania (1) Swiatło Elektroda Bramki Dwutlenek krzemu Zasada działania linijki V G + - detektorów CCD. Światło pochłonięte w podłożu w Podłoże krzemowe (p) obszarze kondensatora MOS, Obszer zubożony tworzy układ ładunków pułapkowanych pod bramką. 1 V 2 Trójfazowy rejestr tworzy poruszającą się studnie V 3 potencjału, która przesuwa G 3 G 1 G 2 G 3 G 1 podłoże krzmowe (p) ładunek do obszaru, gdzie jest szeregowo czytany (c) Sergiusz Patela Detektory 24

25 Detektor CCC-zasada działania (2) (c) Sergiusz Patela Detektory 25

26 Pytania kontrolne 1. Klasyfikacja detektorów - opisać i porównać charakterystyki czułości (wykres) 2. Naszkicować charakterystykę czułości detektora krzemowego. Jak charakterystyka zależy od typu i konstrukcji detektora. Jak zmieni się jeżeli zmienimy materiał, na przykład na arsenek galu. 3. Opisać (i narysować) podstawowe typy półprzewodnikowych detektorów światła. (c) Sergiusz Patela Detektory 26