Detektory optyczne - fotodetektory 1. Podział i parametry detektorów 2. Fotodioda 3. Fototranzystor 4. Fotorezystor 5. Detektory na supersieciach półprzewodnikowych 6. Detektory termiczne 6.1. Termostosy 6.2. Detektory piroelektryczne 6.3. Bolometry 1
Elementy optoelektroniczne - Detektory promieniowania: fotoogniwa, fotodiody, fototranzystory, fotorezystory.. - Źródła promieniowania: diody elektroluminescencyjne (LED-y), lasery dioda laserowa ogniwo fotowoltaiczne fotodioda Matryca CCD (nikon D70) panele słoneczne złożone z baterii ogniw fototranzystory Źródła: images.google.com, Wikipedia
Fotodetektory Zakres interesujących nas częstotliwości 3
Fotodetektory Fotodetektor Zmiana sygnału optycznego na elektryczny (I, U, ΔR) Istotne są trzy etapy absorpcja optyczna i generacja nośników transport fotonośników w obszarze absorbującym (ze wzmocnieniem lub bez) wychwyt nośników i przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym Wymagania względem fotodetektorów wysoka czułość w określonym zakresie widmowym niskie szumy szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości minimalna wykrywana moc duża niezawodność niska cena Fotodetektory dobiera się wg zastosowań w telekomunikacji wymagana jest zwykle duża szybkość w innych zastosowaniach może być wymagane duże wzmocnienie 4
Podział detektorów Z punktu widzenia oddziaływania promieniowania świetlnego z materią detektory można podzielić na dwie grupy: fotonowe (oddziaływanie kwantów z elektronami) termiczne (zmiany parametrów detektora ze zmianą temp. w wyniku absorpcji promieniowania) - fotowoltaiczne - termoelektryczne - fotoprzewodnościowe - bolometryczne - fotomagnetoelektryczne - piroelektryczne - fotoemisyjne Detektory fotonowe pracują w zakresie od ultrafioletu (UV) do średniej podczerwieni (MIR). Detektory termiczne są używane na ogół w obszarze średniej i dalekiej podczerwieni (FIR), gdzie ich wydajność w temp. pokojowej jest wyższa niż detektorów fotonowych. 5
Parametry detektorów Czułość (sensitivity, responsivity) Jest to stosunek wielkości wyjściowej Y(wart. skut. prądu, napięcia) do wejściowej X (wart. skut. mocy prom.) S Y X I P ph inc ext m 1.24 A W stąd czułość napięciowa S V [V/W], prądowa S I [A/W] Czułość jest funkcją długości fali i jej przebieg zależy ogólnie od typu detektora. Dla detektorów fotonowych początkowo wzrasta prawie liniowo z długością fali, osiąga maksimum i spada do zera. Istnieje wyraźna granica długofalowa λ C. Czułości detektorów fotonowych są większe niż termicznych, a czasy odpowiedzi krótsze. Zaleta detektorów termicznych to praca w temp. pokojowej oraz niska cena. Matryce tych detektorów są podstawą rozwoju tanich kamer termowizyjnych. Względna czułość widmowa detektorów termicznych i fotonowych. 6
Parametry detektorów D * A f NEP Moc równoważna szumom (NEP - NOISE EQUIVALENT POWER) Jest to wartość skuteczna mocy promieniowania, która daje na wyjściu detektora sygnał o wartości skutecznej równej poziomowi szumu, znormalizowanego do jednostkowej szerokości pasma. Odpowiada jej stosunek sygnał/szum równy 1 w paśmie 1 Hz. V ( f ) NEP( f, ) 1/ 2 ( f ) S ( f, ) Im większe NEP, tym mniejsza przydatność fotodetektora do detekcji małych mocy promieniowania. [W / Hz n 1/ 2 V ] Detekcyjność znormalizowana (wykrywalność) D * (f, λ) Jest to stosunek sygnału do szumu przy jednostkowej mocy promieniowania (1W), jednostkowej pow. detektora i jednostkowym paśmie szumów A powierzchnia detekcyjna 1/ 2 1/ 2 1/ 2 A SV ( Af ) Vs ( Af ) 1/ 2 D ( f, ) [ cmhz / W ] Δf pasmo szumów NEP Vn Vn Pe [D * ] = cm Hz 1/2 W -1 Mnożenie przez A 1/2 wynika z obserwacji, że stosunek A 1/2 /NEP nie zależy od powierzchni fotoczułej detektora. Na wynik pomiaru D * nie wpływa też szerokość pasma. Wielkość D* może być stosowana do porównywania detektorów o różnych powierzchniach. 7
WYDAJNOŚĆ KWANTOWA DETEKTORA: zewnętrzna: Parametry detektorów ext I q P ph inc h I q ph h P inc Ilość par e-h dających prąd I ph w stosunku do ilości padających kwantów η ext ~ 1 e -αd α współczynnik absorpcji d grubość próbki wewnętrzna: int n n p f n p ilość par e-h n f ilość zaabsorbowanych fotonów 8
Zależność S Y X I P ph inc ext m 1.24 A W sugeruje liniowy przebieg S(λ), lecz dla detektorów rzeczywistych wpływ na przebieg ma zmiana współczynnika absorpcji α: f Dla dużych λ krawędź absorpcji Dla małych λ absorpcja w warstwie powierzchniowej 9
Trochę teorii Promieniowanie elektromagnetyczne padające (F p ) na jakąś substancję może zostać odbite (F o ), zaabsorbowane (F ads ) lub też może przejść przez tę substancje z pewnym niewielkim tylko osłabieniem jego natężenia (F). Detektory promieniowania elektromagnetycznego konstruuje się w taki sposób, by maksymalna część padającego na nie promieniowania została w nich zaabsorbowana. Promieniowanie optyczne jest częścią bardzo szerokiego widma promieniowania elektromagnetycznego obejmującego zakres fal o długości od 10 nm do 100 um. Zakres ten jest dzielony na trzy podzakresy: -promieniowanie ultrafioletowe (l<380 nm) -promieniowanie widzialne (l =380-780 nm) -promieniowanie podczerwone (l>780 nm) 10
Trochę teorii Natura promieniowania Promieniowanie optyczne jest natury korpuskularno-falowej, czyli można je traktować jako rozchodzącą sie falę o częstości u albo jako strumień fotonów, z których każdy niesie energię W f : W f =hu, gdzie h jest stałą Plancka. Między długością a częstotliwością fali istnieje związek: =c/u, gdzie c - prędkość światła, Długość fali odpowiadającej energii fotonu W f określa zależność: f = hc/ W f 11
Trochę teorii Zjawiska fotoelektryczne Zjawiska elektryczne zachodzące pod wpływem promieniowania nazywa się ogólnie zjawiskami fotoelektrycznymi. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne - powstaje wówczas, gdy energia fotonów jest na tyle duża, że pobudzone optycznie elektrony opuszczają powierzchnię ciała, a więc następuje fotoemisja. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne - gdy energia fotonów jest mniejsza, tak że nie jest możliwa fotoemisja, a jedynie zmiana stanu energetycznego elektronów ciała. - jeśli na skutek tego zjawiska wzrasta przewodnictwo elektryczne półprzewodnika lub dielektryka zjawisko fotoprzewodnictwa, - jeśli powstaje siła elektromotoryczna w półprzewodniku o wyraźnie ukształtowanym złączu p-n zjawisko fotowoltaiczne. 12
Trochę teorii Absorpcja promieniowania w fotodetektorach Powszechnie stosowane obecnie fotodetektory wykorzystują zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Są to fotorezystory, fotodiody, fototranzystory i fototyrystory. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne w półprzewodnikach polega na generowaniu swobodnych nośników ładunku wskutek absorpcji promieniowania optycznego. Dwa podstawowe mechanizmy absorpcji: - międzypasmowy, prowadzący do uwolnienia elektronu i dziury, energia fotonu W f =hu jest większa od szerokości pasma zabronionego W g półprzewodnika - domieszkowy, prowadzący do uwolnienia elektronu lub dziury, gdy energia W f będąc mniejsza od W g jest większa od energii W j jonizacji domieszek w tym 13 materiale
Trochę teorii Absorpcja promieniowania w fotodetektorach - ograniczenia Długofalowy próg absorpcji promieniowania - max - charakteryzowany największą długością fali promieniowania absorbowanego przez półprzewodnik (rejestrowanego przez detektor). max =hc/w g lub max =hc/w j Minimalna długość fali wykrywanego promieniowania - min - ograniczenie to jest spowodowane wzrostem współczynnika pochłaniania p w miarę zmniejszania długości fali promieniowania, - promieniowanie mimo wzrostu energii fotonów, wywołuje coraz słabszą generację nośników, gdyż nie mogąc wniknąć w głąb materiału jest absorbowane w coraz cieńszej warstwie przypowierzchniowej 14
Trochę teorii Absorpcja promieniowania w fotodetektorach - ograniczenia Zależność współczynnika pochłaniania p i fotoprzewodnictwa G f półprzewodnika od długości fali absorbowanego promieniowania Zależność czułości widmowej znormalizowanej od długości fali absorbowanego promieniowania 15
Porównanie wykrywalności dla różnych materiałów <40 m Wykrywalności w obszarze podczerwieni produkowanych przemysłowo różnych typów detektorów (FD - fotodioda, FR fotorezystor, TR detektor termiczny). 16
Porównanie wykrywalności dla różnych materiałów <1000 m Detekcyjność znormalizowana dla różnych fotorezystorów i fotodiod w funkcji długości fali padającego promieniowania. W nawiasach podano temperatury, przy których wyznaczono charakterystyki PD - fotodioda 17
Przypomnienie podstawowych własności półprzewodników i złącza p-n. 1. W półprzewodniku za przewodzenie prądu odpowiedzialne są swobodne elektrony, których jest dużo mniej niż w metalach i puste miejsca po elektronach (dziury), które mogą się przemieszczać - traktujemy je jako ładunki dodatnie. 2. Jeśli połączymy ze sobą półprzewodnik typu p i n to taki układ nazywamy złączem p-n. 3. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny. Po zetknięciu przez granicę obu obszarów dzięki zjawisku dyfuzji elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p, a dziury z półprzewodnika typu p do n. Po przejściu elektrony rekombinują (zobojętniają się) z dziurami, a dziury z elektronami. Rekombinacja zachodzi jedynie w cienkiej warstwie złącza (blisko granicy zetknięcia).
Przypomnienie podstawowych własności półprzewodników i złącza p-n. 4. Ładunek jonów dodatnich i ujemnych po obu stronach granicy nie jest teraz skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. W wyniku tego powstaje tzw. warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku. Obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru typu n. 5. Powstała różnica potencjału nosi nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów.
Przypomnienie podstawowych własności półprzewodników i złącza p-n. Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun źródła połączony będzie z obszarem p, a ujemny z obszarem n to zmniejszy się bariera potencjału i prąd będzie płynął. Mówimy, że złącze polaryzujemy w kierunku przewodzenia.
Przypomnienie podstawowych własności półprzewodników i złącza p-n. Jeśli do obszaru p dołączymy biegun ujemny, a do obszaru n dodatni to elektrony i dziury będą odciągane od złącza. Wskutek tego warstwa zaporowa poszerzy się i jej opór elektryczny wzrośnie. Będzie płynął wtedy bardzo słaby prąd. Mówimy, że dioda spolaryzowana jest w kierunku zaporowym.
Przypomnienie podstawowych własności półprzewodników i złącza p-n. Fotoprzewodnictwo - idea Oświetlenie półprzewodnika (PP) promieniowaniem o odpowiedniej długości fali wzrost koncentracji swobodnych nośników ładunku wzrost przewodnictwa elektrycznego. Fotoprzewodnictwo występuje tylko w określonym przedziale widma promieniowania, różnym dla poszczególnych materiałów półprzewodnikowych. W PP istnieją nośniki ładunku dodatniego i ujemnego możliwe jest wytwarzanie dużych koncentracji nadmiarowych nośników ładunku i zachowanie jednocześnie wypadkowej neutralności elektrycznej nie tylko w całości układu, ale i lokalnie. Zjawisko fotoprzewodnictwa nie występuje w metalach, w których jest tylko jeden rodzaj nośników ładunku. 22
Przypomnienie podstawowych własności półprzewodników i złącza p-n. Procesy fizyczne w fotodetektorze: 1. Wytworzenie nośników ładunku przez promieniowanie elektromagnetyczne padające na półprzewodnik, 2. Przeniesienie (transport) tych nośników przez obszar półprzewodnika do kontaktów metalowych łączących ten półprzewodnik z zewnętrznym obwodem elektrycznym, 3. Oddziaływanie fotoprądu dopływającego do kontaktów z zewnętrznym obwodem elektrycznym. http://www.solarbin.pl/ Charakter wymienionych procesów jest zwykle różny w poszczególnych typach detektorów półprzewodnikowych, warunkuje on parametry eksploatacyjne tych fotodetektorów oraz określa możliwości ich zastosowań. 23
Fotoogniwo (bateria słoneczna) Podstawowy przyrząd elektronowy używany do zamiany energii słonecznej na elektryczną za pomocą efektu fotowoltaicznego (ogniwo fotowoltaiczne, słoneczne). Absorpcja promieniowania w strukturach złączowych typu p-n, p-i-n, heterozłączach Źródło: http://www.apec-vc.or.jp Ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p pokrytego warstwą półprzewodnika typu n o grubości tylko 1m, a więc wystarczająco cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej.
Fotoogniwo - zasada działania Stosuje się struktury złączowe typu p-n, p-i-n, heterozłącza jak również struktury wielozłączowe. Powstawanie napięcia fotowoltaicznego U OC n - - - J D p W c -qu OC Światło W F W V + + + - J P + J P = prąd świetlny nośników mniejszościowych J D = prąd diody ( dziur i elektronów pod 25 wpływem U OC
Fotoogniwo - zasada działania Napięcie U OC ustala się na takiej wartości, aby: I = I P - I D = 0 (ogniwo rozwarte) Przy obciążeniu ogniwa rezystancją R, napięcie spada i otrzymuje się niezerowy prąd: I qu I exp nkt 1 S I P U OC - napięcie rozwarcia I SC - prąd zwarcia I Q, U Q współrz. prostokąta mocy maksymalnej Sprawność fotoogniwa η I Q U Q P( hν ) I SC UOC FF P( hν ) FF (Fill Factor) jest miarą prostokątności charakterystyki FF I I Q SC U U Q OC
Fotoogniwo schemat zastępczy Schemat zastępczy ogniwa rzeczywistego z obciążeniem I D R S R P U R I R I R S - wpływ kontaktów R P wpływ rekombinacji powierzchniowej 0 exp qu IRs / nkt1 (U IRs ) / Rp IL
Fotoogniwo przykład wykonania Teksturowana powierzchnia Si uzyskana w wyniku anizotropowego trawienia <100> <111> kontakt metaliczny warstwa Antyrefleksyjna (SiO 2, T 2 O 5 ) Komercyjne ogniwo krzemowe (c-si) w oparciu o złącze n + /p CNR Comsat Non Reflecting (η = 16%, ok. 1975r.) p-si (200m) n + (0.2 µm) W (0.5µm) obszar złącza n + - p p + Powstawanie pola BSF (Back Surface Field) p + (0.5 µm) BSF kontakt tylny (Al) + Pole to odpycha dyfundujące do tylnego kontaktu elektrony i zmniejsza rekombinację powierzchniową
Fotoogniwa podstawowe technologie ogniw i ich udział rynkowy Si krystaliczny (mono- i polikryształy) 90% Si amorficzny 9% GaAs i inne III-V CuInSe 2 i pochodne 1% CdTe CIS - selenek indowo-miedziowy (copper indium diselenide) Materiał Wydajności E g (ev) (%) c-si 1,15 24,4 a-si:h 1,4-2,0 13,2 GaAs 1,4 27 Cu(In,Ga)Se 2 1,11 19,2 CdTe 1,50 15,8 Najlepsze obecnie ogniwa w oparciu o c-si wykazują parametry η = 24% V OC = 700mV J SC = 40mA/cm 2 FF = 81 % Przy oświetleniu: P = 100 mw/cm 2 Si amorficzny stosuje się w urządzeniach o małej mocy zasilania, np. w kalkulatorach kieszonkowych, zegarkach, GaAs ogniwa kosmiczne.
Fotodioda p-n - przykłady http://hamamatsu.com Źródło: Google images 30
Fotodioda p-n zasada działania Fotoogniwo o małej pow. światłoczułej, z reguły spolaryzowane w kier. zaporowym jest fotodiodą. Po oświetleniu złącza fotonośniki wygenerowane w obszarze zubożonym są unoszone przez pole złącza wzmocnione napięciem zewnętrznym. Nośniki wygenerowane poza złączem w zasięgu drogi dyfuzji, dyfundują w kierunku złącza i są unoszone przez pole dając wkład do prądu. Charakterystyka fotodiody będzie sumą zależnego od napięcia prądu ciemnego i zależnego od oświetlenia fotoprądu SΦ L n, L p długości dróg dyfuzji W p, W n rozmiar obsz. zubożonego d p, d n grubość obszaru p + /n I I s qu (exp[ ] 1) SF k T dla U< 0 I= - I s - SΦ - SΦ S czułość (A/W) Φ moc promieniowania (W) I ~ Φ Fotodioda pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. W stanie ciemnym (przy braku oświetlenia) przez fotodiodę płynie tylko prąd ciemny, będący prądem wstecznym złącza określonym przez termiczną generację nośników. Oświetlenie złącza powoduje generację dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego złącza, proporcjonalny do natężenia padającego 31 promieniowania.
Fotodioda p-n charakterystyki Różni się od fotoogniwa małą powierzchnią światłoczułą (kilka mm 2 ) oraz tym, że jako fotodetektor pracuje najczęściej z zewnętrzną polaryzacją w kierunku zaporowym. Fotoprąd nie zależy od U! Czułość prądowa fotodiody Statyczne charakterystyki prądowo - napięciowe fotodiody oświetlonej i nieoświetlonej S di P dφ
Fotodioda p-n budowa Szybka fotodioda Schottky ego Na półprzewodniku n - (warstwa absorbująca) nanosi się cienką warstwę półprzepuszczającego metalu (Au 10 30 nm) oraz warstwę antyrefleksyjną zwiększającą transmisję, szczególnie w obszarze krótkofalowym. Pasmo przenoszenia rzędu 100 GHz. Stosuje się półprzewodniki: Si, GaAs, GaP, GaAsP. Zaletą tych diod jest stosunkowo dobra czułość w obszarze niebieskim i UV. 33
Fotodioda p-n schemat zastępczy Zmiennoprądowy schemat zastępczy fotodiody I P I R r P r S C P I P - prąd fotoelektryczny I R - prąd ciemny r P - rezystancja upływu r S - rezystancja szeregowa C P - pojemność złączowa fotodiody Częstotliwość graniczna pracy fotodiody: f g 1 2 r C s P stąd ujemna polaryzacja zmniejszająca C p jest korzystna. Fotodiody p-i-n o małej pojemności C p osiągają f g ~ dziesiątek GHz
Fotodioda p-n układy pracy Podstawowy układ pracy fotodiody (z polaryzacją zaporową i szeregową rezystancją) I P U B R L u OUT U OUT R L I P R L S Φ F 0 U OUT F 0 U OUT 0 U B dynamika znacznie większa niż dla fotoogniwa
Fotodioda p-n układy pracy Układ pracy fotodiody ze wzmacniaczem operacyjnym Ze względu na małe wartości prądu fotoelektrycznego fotodioda często występuje w układzie wzmacniacza: R 1 I - U B - R 2 + u OUT dla R 1 = R 2 U OUT = -R 1 I = -R 1 (I P +I R ) Fotodioda w układzie przetwornika prąd-napięcie (wzm. transimpedancyjny) Przy polaryzacji napięciem zaporowym uzyskuje się dużą dynamikę zmian sygnału oraz dużą szerokość pasma. Wada: wzmocnieniu ulega też prąd ciemny.
Fotodioda p-n układy pracy 37
Fotodioda p-n układy pracy 38
Fotodioda zastosowania Detektory światła widzialnego i podczerwonego (np. układy alarmowe) Detektory kartek (ksero, drukarka), końca taśmy Czytniki kart kodowych Mierniki odległości (np. laserowy) Mierniki wymiarów Komunikacja światłowodowa 39
Fotodioda - parametry Maksymalne napięcie wsteczne Ur Czułość na natężenie oświetlenia Czułość na moc promieniowania Zależność czułości od długości fali padającego światła Czas narastania Prąd ciemny Kąt detekcji http://sales.hamamatsu.com/index.php?id=13183221 40
Fotodioda - parametry 41
Fototranzystor zasada działania Jeżeli obszar bazy tranzystora może być oświetlony, to uzyskuje się fototranzystor + C C Budowa fototranzystora B - n p n E B E Schemat zastępczy fototranzystora Powstałe w bazie fotoelektrony (nośniki mniejszościowe) dyfundują do kolektora zwiększając jego prąd. Powstałe w bazie dziury nie przejdą przez barierę potencjału złącza emiterowego i wytwarzają nieskompensowany ładunek dodatni obniżający barierę B/E. To z kolei zwiększa iniekcję elektronów z emitera do bazy, a elektrony te osiągając złącze kolektorowe silnie zwiększają prąd kolektora. Daje to duże wzmocnienie i stąd czułość fototranzystora jest dużo większa niż fotodiody. W skrócie: złącze kolektor - baza jest wykonane jak fotodioda. Promieniowanie padające na obszar tego złącza powoduje przepływ prądu bazy, który po wzmocnieniu powoduje prąd kolektora. Dzięki temu możliwe jest sterowanie prądem kolektora przez sygnały świetlne.
Fototranzystor zasada działania Inaczej: Jest to bipolarny tranzystor sterowany światłem, wykazujący wewnętrzne wzmocnienie. W większości przypadków rezygnuje się z kontaktu bazy (element z pływającą bazą). Rolę prądu bazy spełnia światło. Spolaryzowane zaporowo złącze baza kolektor, przy absorpcji zachodzącej w obszarze bazy, spełnia rolę fotodiody złączowej. Generowany optycznie prąd jest wzmacniany na skutek efektu tranzystorowego: Efekt tranzystorowy: powstałe w wyniku oświetlenia w bazie nośniki mniejszościowe (np. elektrony) dyfundują do kolektora i zwiększają jego prąd. Powstałe w bazie nośniki większościowe (dziury) gromadzą się w bazie i obniżają barierę potencjału złącza emiter - baza, a to z kolei umożliwia przejście nośników większościowych (elektronów) z emitera do bazy. Nośniki te w obszarze bazy stają się nośnikami mniejszościowymi i przechodzą do kolektora zwiększając silnie jego prąd. 43
Fototranzystor zasada działania I B prąd bazy wygenerowany optycznie I E prąd emitera I CO prąd wsteczny nasycenia złącza kolektorowego αi E część prądu emitera, która dojdzie do złącza kolektorowego (α<1) α wzmocnienie prądowe w układzie o wspólnej bazie Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy, związany z termiczną generacją nośników, jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza p-n na granicy obszarów bazy i kolektora. Po oświetleniu bazy otrzymuje się prąd (η wydajność kwantowa) I B Pincq h Wzmocnienie fotoprądu I q P C inc / h IC I / B e 44
Fototranzystor - budowa Fototranzystory na bazie Si są proste w budowie i o niskich kosztach wytwarzania: fg ~ kilkaset khz Niska częstotliwość graniczna uwarunkowana dużą pojemnością złącza baza kolektor (τ βr L C) i dużym czasem przelotu nośników przez obszar bazy Duże wzmocnienie jest korzystne zwłaszcza w przypadkach, gdzie małe pasmo Δf nie jest istotne (zdalne sterowanie w TV). 45
Fototranzystor - budowa Poprawę odpowiedzi czasowych uzyskuje się minimalizując wymiary fototranzystora: Struktura heterozłączowa n-p-n typu MESA InP o większej przerwie spełnia rolę warstwy okiennej i zasadnicze pochłanianie następuje w obszarze bazy Wprowadzenie przewodu bazy powoduje usuwanie gromadzonych tam nośników i podwyższenie częstości fg. Maleje jednak wzmocnienie. 46
Fototranzystor parametry, zastosowania parametry Maksymalne napięcie Uce Prąd świecenia przy odpowiednim napięciu Uce oraz natężeniu promieniowania Kąt detekcji Maksymalny prąd kolektora Ic Rodzaj obudowy (czarna, przezroczysta) Charakterystyka czułości Czas narastania/opadania zastosowania Detektor światła podczerwonego Systemy zabezpieczające Kontrolery marginesów Licznik monet Piloty zdalnego sterowania 47
Fototranzystor zastosowania Wyposażenie komputerów, sprzętu biurowego stacja dyskietek detektor ścieżki zerowej (track zero detector) drukarki kontrola marginesów ekran dotykowy położenie palca karta komputerowa wykrywacz dziur fotokopiarki - monitor położenia papieru Życie codzienne Pióro świetlne źródło światła Liczniki monet (automaty rozmieniające) Czujniki położenia - joystick Piloty zdalnego sterowania zabawki, sprzęt RTV - układ stabilizacji obrotów talerza gramofonu - wykrywanie zmian w oświetleniu (np. wyłącznik zmierzchowy) Przemysł Systemy bezpieczeństwa Ekrany bezpieczeństwa (safety shields) Kodery pomiar prędkości i kierunku Medycyna izolacja elektryczna miedzy sprzętem i pacjentem prędkość dozowania dożylnego kroplówek
Fototranzystor zastosowania Źródło: http://www.engr.udayton.edu Transoptor Czujnik obiektu odbijającego światło Przełącznik optyczny - wykrywanie obiektu w szczelinie Transoptor (izolator optyczny, separator galwaniczny) = dioda elektroluminescencyjna i odbiornik fotoelektryczny (fotodioda lub fototranzystor) we wspólnej obudowie.
Fototranzystor zastosowania 50
Fototranzystor zastosowania Zacisk bazy może być swobodny i wtedy fototranzystor jest nazywany podwójną fotodiodą. U CC R B C Duże wzmocnienie prądowe U OUT E Fototranzystor w układzie fotodetektora Fototranzystor w układzie Darlingtona U OUT U CC βi P R I P prąd złącza kolektor-baza f g ~ kilkaset khz Częstotliwość graniczna: f g ~ 30 khz
Fotorezystor Fotorezystor z grzebieniową strukturą kontaktów Najważniejsze cechy: - element półprzewodnikowy bezzłączowy - pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję - część robocza (światłoczuła) - cienka warstwa półprzewodnika na podłożu dielektrycznym wraz z elektrodami metalowymi doprowadzającymi prąd ze źródła zewnętrznego Całość w obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. 52
Fotorezystor Symbol Fotorezystor w postaci epitaksjalnej warstwy InGaAs na wysokorezystywnym podłożu InP. Kontakty grzebieniowe (interdigital) Grubość warstwy fotoczułej musi być: na tyle duża aby zaabsorbować padające światło mała aby rezystancja ciemna była duża (niskie szumy) Szum termiczny Johnsona jest generowany przed prąd ciemny: i 2 y kbtf 4 R Δf szerokość pasma, R rezystancja, i y prąd szumów 53
Dla fotorezystora można zdefiniować wielkość informującą o liczbie elektronów biorących udział w przewodnictwie, wygenerowanych przez jeden foton. Jest to tzw. wzmocnienie fotoprzewodnictwa Powolny ruch nośników, dziur, będzie powodował wciąganie szybszych elektronów, aby płynący prąd spełniał warunek neutralności. Powoduje to wzmocnienie fotoprądu. Wprowadzając pojęcie ruchliwości μ otrzymuje się Wstawiając dane liczbowe τ = 3 ms, µ = 300 cm 2 /Vs, L = 0,4 mm, V = 2,4V otrzymuje się Γ = 450 (fotorezystor ujawnia tu cechy podobne do fotopowielacza). Korzystne jest zatem utrzymanie małego L i jednocześnie ze względu na wielkość fotoprądu dużej szerokości próbki (stąd grzebieniowa struktura elektrod). O szybkości transmisji sygnałów decyduje czas odpowiedzi elementu t tr V 2 L Fotorezystor t tr - czas przelotu elektronu między elektrodami τ czas życia nośników V- przyłożone napięcie, L odległość między elektrodami szerokość pasma ~ 1 a zatem: szerokość pasma * wzmocnienie = const. 54
Fotorezystor Zależność współczynnika absorpcji światła w próbce α i fotoprzewodnictwa σ ph od długości fali absorbowanego promieniowania Zanik σ ph od strony fal krótkich jest spowodowany rosnącym udziałem cienkiej warstwy przypowierzchniowej, słaboprzewodzącej. Przebieg obserwowanej dla półprzewodników czułości widmowej S(λ) w funkcji długości fali można wytłumaczyć opisanymi powyżej zjawiskami f g ph ~ I ph Maksymalna czułość dla odpowiedniej długości fali (zależne od materiału) 55
Fotorezystor Półprzewodniki stosowane do wytwarzania fotorezystorów materiał E g (ev) Al x Ga 1-x N 3,4 6,2 zal. od x CdS (światło widzialne) 2,4 CdSe (światło podczerwone) 1,8 Cd x Zn 1-x Te zal. od x Si 1,12 Ge 0,67 PbS 0,42 PbSe 0,23 InSb 0,23 Hg 1-x Cd x Te zal. od x Charakterystyki prądowo napięciowe fotorezystora dla różnych wartości natężenia oświetlenia. Fotorezystor z tellurku kadmowo-rtęciowego pracujący w obszarze podczerwieni (2 30 μm). 56
zastosowania automatyczne włączanie lamp ulicznych w nocy pomiar światła w kamerach, aparatach najczulsze detektory promieniowania podczerwonego odbieranego z kosmosu parametry Fotorezystor zastosowania, parametry Rezystancja przy oświetleniu E = 10lx Rezystancja przy oświetleniu E = 100lx Rezystancja ciemna po 1 sekundzie Czułość maksymalna dla długości fali Dopuszczalne moc maksymalna Czas przełączania http://www.cyfronika.com.pl/semi/cz_fotorez.htm 57