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



Podobne dokumenty
Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

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

Parametry i technologia światłowodowego systemu CTV

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

1 Detektor CCD. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

II. Badanie charakterystyki spektralnej źródła termicznego promieniowania elektromagnetycznego

Elementy optoelektroniczne. Przygotował: Witold Skowroński

Wykład VII Detektory I

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Repeta z wykładu nr 10. Detekcja światła. Kondensator MOS. Plan na dzisiaj. fotopowielacz, część 2 MCP (detektor wielokanałowy) streak camera

spis urządzeń użytych dnia moduł O-01

Detektor CCD. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

Wybrane elementy optoelektroniczne. 1. Dioda elektroluminiscencyjna LED 2. Fotodetektory 3. Transoptory 4. Wskaźniki optyczne 5.

Elementy optoelektroniczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Zakres wykładu. Detekcja światła. Zakres wykładu. Zakres wykładu

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Optyka instrumentalna

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Optyczne elementy aktywne

( ) u( λ) w( f) Sygnał detektora

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Źródła i 1detektory IV. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE WEWNĘTRZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Repeta z wykładu nr 2. Detekcja światła. Parametry fotodetektorów. Co to jest detektor?

BADANIE ZEWNĘTRZNEGO ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO

Rys.2. Schemat działania fotoogniwa.

Dyspersja światłowodów Kompensacja i pomiary

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Promieniowanie cieplne ciał.

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Badanie detektorów promieniowania optycznego

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Wykład VIII. Detektory fotonowe

IV. Wyznaczenie parametrów ogniwa słonecznego

Badanie charakterystyk detektorów promieniowania elektromagnetycznego.

Źródła i detektory IV. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE WEWNĘTRZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH.

1100-1BO15, rok akademicki 2016/17

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 3, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

1 Źródła i detektory VI. FOTOTRANZYSTOR

1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

WYKORZYSTANIE FOTOPRZETWORNIKÓW W UKŁADACH AUTOMATYKI.

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Efekt fotoelektryczny

Prawdopodobieństwo obsadzania każdego stanu jednoelektronowego określone jest przez rozkład Fermiego, tzn. prawdopodobieństwo, że stan o energii E n

Wstęp do astrofizyki I

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Stanowisko do pomiaru fotoprzewodnictwa

Układy nieliniowe - przypomnienie

NOWE METODY KSZTAŁTOWANIA CHARAKTERYSTYK CZUŁOŚCI WIDMOWEJ FOTOODBIORNIKÓW KRZEMOWYCH

Particles Signatures and detectors

Kątowa rozdzielczość matrycy fotodetektorów

Struktura pasmowa ciał stałych

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

1. W gałęzi obwodu elektrycznego jak na rysunku poniżej wartość napięcia Ux wynosi:

BADANIE FOTOPOWIELACZA

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

4. Diody DIODY PROSTOWNICZE. Są to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego.

VI. Elementy techniki, lasery

DETEKTORY ŚWIATŁA. Parametry fotodetektorów

BADANIA MODELOWE OGNIW SŁONECZNYCH

Fizyka Laserów wykład 10. Czesław Radzewicz

Źródła i detektory. I. Wyznaczenie czułości globalnej detektora. Cel ćwiczenia: Kalibracja detektora promieniowania elektromagnetycznego

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Elementy optoelektroniczne

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Urządzenia półprzewodnikowe

Ćwiczenie nr 82: Efekt fotoelektryczny

Wzmacniacze optyczne

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Przyrządy półprzewodnikowe

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

RADIOMETR MIKROFALOWY. RADIOMETR MIKROFALOWY (wybrane zagadnienia) Opracowanie : dr inż. Waldemar Susek dr inż. Adam Konrad Rutkowski

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY ZEWNĘTRZNY

L E D light emitting diode

Wstęp do astrofizyki I

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Dioda półprzewodnikowa OPRACOWANIE: MGR INŻ. EWA LOREK

GaSb, GaAs, GaP. Joanna Mieczkowska Semestr VII

5. FOTODETEKTORY I ODBIORNIKI OPTYCZNE

Transkrypt:

Detektory Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela 1997-2003

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 1997-2003 Detektory 2

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 1997-2003 Detektory 3

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 1997-2003 Detektory 4

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 1997-2003 Detektory 5

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 1997-2003 Detektory 6

Czułość widmowa detektorów detektor termiczny Czułość [jedn. dow] 1 0 idealny detektor kwantowy rzeczywisty detektor kwantowy 0 200 400 600 800 1000 długość fali [nm] E [ ev ] = 1,24 λ [ µ m] (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 7

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 1997-2003 Detektory 8

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 1997-2003 Detektory 9

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 1997-2003 Detektory 10

Współczynniki absorpcji różnych półprzewodników 10 5 Ge 10-1 współczynnik absorpcji [cm -1 ] 10 4 10 3 10 2 GaAs GaAs Si In.7 Ga.3 As.64 P.36 In.53 Ga.47 As 10 0 10 1 10 2 głębokość wnikania [µm] 10 1 10 3 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 długość fali [µm] (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 11

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 1997-2003 Detektory 12

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 1997-2003 Detektory 13

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 1997-2003 Detektory 14

Detektory kwantowe - wybrane parametry katalogowe Parametr Si-PIN Si-APD fotopowielacz Średnica aktywna-mm 0.1 do > 10 0.1 do16 kilka do > 50 Zakres spektralny-nm 185 do 1150 350 do 1150 110 do 700 Efektywność kwantowa >90% @ max ~60% @200nm ~50% @1060nm Czułość Średnia Duża Duża Wymagana polaryzacja 0-100 V 100-500 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 1997-2003 Detektory 15

Charakterystyki widmowe diody krzemowej 0.7 Ultrafiolet Widzialne Podczerwień Czułość [A/W] 0.6 0.5 0.4 Niebieska+ 0.3 0.2 0.1 UV+ Normalna fotodioda krzemowa 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Długość fali [nm] (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 16

Porównanie czułości detektorów Moc [W] 1E-7 1E-8 Diody PIN Fotopowielacz 500 nm, efekt. kw. 25% SNR = 5 BER = 10-9 1E-9 Fotodiody lawinowe 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 10k 100k 1M 10M 100M 1G Częstotliwość [Hz] (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 17

Wzmacniacze obrazu - zasada działania Fotokatoda Ekran fluorescencyjny półprze puszczlna Pole elektryczne E Swiatło wyjściowe +600V (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 18

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 1997-2003 Detektory 19

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 1997-2003 Detektory 20

Termorezystor Element (absorber) aktywny BOLOMETR (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 21

Detektor piroelektryczny Promieniowanie Vb JFET 10E11 Ohm 10E6 Ohm Sygnał 10E10 Ohm - + Wzmacniacz operacyjny Sygnał Detektor Pyroelektryczny (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 22

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 1997-2003 Detektory 23

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 1997-2003 Detektory 24

Detektor CCC-zasada działania (2) (c) Sergiusz Patela 1997-2003 Detektory 25

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 1997-2003 Detektory 26