Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

Transkrypt

1 FOTODETEKTORY

2 Fotodetektory Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał - detektory termiczne, wykorzystują zmiany temperatury ośrodka, a następnie: - efekt termoelektryczny - efekt piroelektryczny - termorezystancję - efekt pneumatyczny ich czułość jest mało zależna od długości fali, tzw. detektory szare. - detektory fotochemiczne podczas absorpcji światła zachodzą reakcje chemiczne w materiale detektora, w wyniku których następuje zmiana właściwości materiału. Przykładem fotodetektorów chemicznych są: klisza fotograficzna, emulsje światłoczułe, fotorezysty -detektory kwantowe (fotonowe) inaczej: fotoelektryczne oddziaływanie kwantów światła z elektronami materiału detektora czemu towarzysza zmiany prądu płynącego w detektorze (lub oporu materiału detektora) - efekt fotoelektryczny zewnętrzny - efekt fotoelektryczny wewnętrzny ograniczony zakres spektralny, granica długofalowa

3 Fotodetektory Cechy detektorów kwantowych i termicznych Kwantowe: (fotopowielacz, fotokomórka, fotorezystor, dioda PIN, dioda lawinowa (APD)): duża szybkość działania, lepsza detekcyjność niż w termicznych, zależność sygnału detektora od częstotliwości promieniowania Termiczne: brak zależności zdolności detekcyjnych od długości fali neutralne spektralnie, mała szybkość działania sek., pozwalają uzyskać bardzo wysoką jakość obrazu termalnego

4 Efekt fotoelektryczny zewnętrzny Efekt fotoelektryczny zewnętrzny: uwalnianie elektronów z powierzchni materiału (metalu, półprzewodnika... ) pod wpływem padającego światła = fotemisja

5 Efekt fotoelektryczny zewnętrzny E max h W E max h ( E g ) W: praca wyjścia, różnica energii między poziomem próżni a poziomem Fermiego, χ: powinowactwo elektronowe, różnica energii między dnem pasma przewodzenia a poziomem próżni,

6 Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny Fotokomórka Fotopowielacz

7 Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny

8 Efekt fotoelektryczny wewnętrzny g [ m] E [ ev ] g Generacja par elektron dziura w obszarze materiału = fotoprzewodnictwo. Pole elektryczne - zewnętrzne bądź wewnętrzne transport nośników prąd elektryczny. generacja (fotony - elektrony) transport (ruch nośników w polu elektrycznym) wzmocnienie (wewnętrzne?)

9 Absorpcja Różne materiały absorbują fotony o różnej długości fali To czy foton zostanie zaabsorbowany zależy od przerwy energetycznej materiału Jeżeli absorpcja zachodzi wzdłuż osi x to moc zaabsorbowana opisana jest wzorem: P Pin 1exp x Współczynnik absorpcji opisany jest równaniem: cm 1 2x10 4 hf E ev g WSPÓŁCZYNNIK ABSORPCJI [1/cm] Ge GaAs Si In 0,53 Ga 0,47 As DŁUGOŚĆ FALI [m]

10 Wydajność kwantowa Wydajnośd kwantowa (0<η<1) prawdopodobieostwo, że padający foton wygeneruje parę elektron dziura, która stanie się składnikiem prądu fotodetektora. Opisywana jest funkcją: gdzie: 1 1 e d reprezentuje odbicie ilośd nośników które zrekombinują efekt absorpcji na drodze d e d 1 1 hf d OBSZAR ABSORBCJI FOTONÓW MOC PADAJĄCA MOC ODBITA MOC TRANSMITOWANA 0 1/ d x

11 Czułość detektora Funkcja odpowiedzi fotodetektora (Responsivity R) wiąże ze sobą wartość prądu płynącego przez detektor z mocą optyczną padającą na niego R i P FD OPT

12 Szum fotodetektorów Szum fotonowy przypadkowe przybycie fotonów, statystyczny charakter światła Szum fotoelektronowy sprawność kwantowa η <1, przetwarzanie foton-elektron Szum wzmocnieniowy przypadkowość procesu wzmacniania Szum obwodu odbiornika Stosunek sygnału do szumu - Signal-to-noise ratio (SNR) Najmniejszy detekowalny sygnał średni sygnał skutkujący SNR = 1 Czułość odbiornika sygnał odpowiadający SNR0, np.,

13 Fotorezystor hf PASMO PRZEWODZENIA ELEKTRON POZIOM FERMIEGO Eg DZIURA PASMO WALENCYJNE Fotorezystor wykonywany jest z materiału półprzewodnikowego Podłączony jest do zewnętrznego źródła napięcia Fotony powodują generację par elektron dziura co zwiększa prąd płynący w obwodzie

14 Fotodioda p-n Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo Najprostszym fotodetektorem jest fotodioda p-n. Połączenie półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n prowadzi do pozbawionej swobodnych nośników warstwy zubożonej. Na skutek przyłożonego napięcia, silne pole elektryczne szybko wymiata generowane w złączu nośniki. Powoduje to przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym. Szybkość działania fotodiody jest rzędu ~100 ps. Pary elektron-dziura są generowane również w sąsiadującej z warstwą zubożoną warstwie dyfuzyjnej, która jest pozbawiona pola elektrycznego. Wygenerowane nośniki muszą dotrzeć do warstwy zubożonej w sposób dyfuzyjny, co jest procesem znacznie wolniejszym od dryftu.

15 Fotodioda p-n Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo 1. obszar ładunku przestrzennego, wolny od swobodnych nośników silne pole i usuwanie nośników 2. obszar dyfuzji, nośniki mogą ruchem dyfuzyjnym znaleźć się w obszarze 1 i ulec transportowi 3. obszar dryfu, brak pola elektrycznego, ruch przypadkowy i anihilacja na drodze rekombinacji

16 Fotodioda p-n Prąd diody opisany jest równaniem: Wydajność kwantowa jest niedużą znaczna część nośników zdąży zrekombinować zanim weźmie udział w tworzeniu prądu Czas odpowiedzi diody PN jest długi nośniki z obszaru złącza usuwane są szybko ale czas ich dyfuzji w obszarach sąsiadujących wydłuża czas trwania impulsu prądowego i e e hf FD P OPT U B R L i ; i i S UB U UB/RL

17 Fotodioda p-i-n Złącze p-n z wewnętrznym, pośrednim obszarem słabo domieszkowanym, zalety: poszerzenie obszaru ładunku przestrzennego - zwiększenie obszaru fotoczułego poszerzenie obszaru ładunku przestrzennego - mniejsze RC zmniejszenie stosunku: drogi dyfuzji/drogi dryftu zwiększa prędkość Szybkość działania fotodiody krzemowej; czasy odpowiedzi ok. 10 ps

18 Fotodioda p-i-n W fotodiodzie PiN między obszarami P-N wbudowany jest słabo domieszkowany obszar i. Przy polaryzacji zaporowej obszar ten jest silnie zubożony OBSZAR ZUBOŻONY Z POLEM ELEKTRYCZNYM i FD p i n U Wbudowane pole elektryczne znajduje się w całym obszarze i który stanowi większą część diody W E Więcej nośników jest rozdzielanych więcej nośników bierze udział w tworzeniu prądu rośnie η Długość W jest kompromisem między rosnącym η, a wydłużającym się czasem przelotu nośników co ogranicza pasmo DYFUZJA ELEKTRONÓW OBSZAR DRYFTU DYFUZJA DZIUR

19 Fotodioda lawinowa Działa przetwarzając każdy detekowany foton na kaskadę par nośników. Tak więc nawet słaby strumień światła wytwarza prąd dostatecznie silny by go zarejestrowały urządzenia elektroniczne. Silna polaryzacja zaporowa złącza silne pole w obszarze złącza szybki ruch nośników duża energia nośników jonizacja zderzeniowa

20 Fotodioda lawinowa geometrie zwiększające absorpcję światła tak jak np. p-i-n przeciwstawne wymagania obszar powielania nośników musi być wąski aby praca była stabilna oddzielić obszar absorpcji i powielania absorpcja w obszarze p dryf do obszaru o silnym polu powielanie lawinowe w złączu p-n+

21 Fotodioda lawinowa W fotodiodzie lawinowej do struktury diody PiN wprowadza się dodatkowy obszar p Przy polaryzacji zaporowej w obszarze tym występuje silne pole elektryczne A BSORPCJA P OWIEL. U Przepływające elektrony e nabierają dużej energii i w wyniku jonizacji zderzeniowej generują kolejne pary elektron dziura p + E i p n + Prąd diody rośnie M krotnie:, f, T R POPT ifd M U 0 Typowe wartości M to ok x

22 Fotodetektory