Prezentacja programu PowerPoint - kno.elka.pw.edu.pl · PDF fileGeneracja par elektron dziura...
Transcript of Prezentacja programu PowerPoint - kno.elka.pw.edu.pl · PDF fileGeneracja par elektron dziura...
FOTODETEKTORY
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
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 10-3 - 10-1 sek., pozwalają uzyskać bardzo wysoką jakość obrazu termalnego
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny: uwalnianie elektronów z powierzchni materiału
(metalu, półprzewodnika ... ) pod wpływem padającego światła = fotemisja
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny
W: praca wyjścia, różnica energii między poziomem próżni a poziomem Fermiego,
χ: powinowactwo elektronowe, różnica energii między dnem pasma przewodzenia
a poziomem próżni,
WhEmax )E(hE gmax
Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Fotokomórka Fotopowielacz
Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny
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 ?)
]eV[E
.]m[
g
g
241
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:
Współczynnik absorpcji opisany
jest równaniem:W
SP
ÓŁ
CZ
YN
NIK
AB
SO
RP
CJI
[1
/cm
]
DŁUGOŚĆ FALI [m]
Ge
GaAs
Si
In0,53Ga0,47As
xPP in exp1
eVEhfxcm g 41 102
Wydajność kwantowa
dhf
OBSZAR ABSORBCJI
FOTONÓW
MOC
PADAJĄCA
0 1/ d x
MOC
ODBITA
MOC
TRANSMITOWANA
Wydajnośd kwantowa (0<η<1) – prawdopodobieostwo, że padający foton wygeneruje parę elektron dziura, która stanie się składnikiem prądu fotodetektora.
Opisywana jest funkcją:
gdzie:
reprezentuje odbicie
ilośd nośników które zrekombinują
efekt absorpcji na drodze d
de 11
1
de 1
Czułość detektora
Funkcja odpowiedzi fotodetektora (Responsivity R) wiąże ze sobą wartość prądu
płynącego przez detektor z mocą optyczną padającą na niego
OPT
FD
P
iR
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., 10 - 103
Fotorezystor
• Fotorezystor wykonywany jest z materiału półprzewodnikowego
• Podłączony jest do zewnętrznego źródła napięcia
• Fotony powodują generację par elektron dziura co zwiększa prąd płynący w
obwodzie
Eg
PASMO PRZEWODZENIA
hfPOZIOM FERMIEGO
PASMO WALENCYJNE
ELEKTRON
DZIURA
Fotodioda p-n
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.
Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo
Fotodioda p-n
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
Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo
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
UB
i
UiS
UB/RL
i
RLUB
;OPTFD Phf
eei
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
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
• Wbudowane pole elektryczne
znajduje się w całym obszarze i który
stanowi większą część diody
• 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
DZIUR
DYFUZJA
ELEKTRONÓW OBSZAR
DRYFTU
E
W
iFD U
p i n
OBSZAR ZUBOŻONY
Z POLEM
ELEKTRYCZNYM
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
Fotodioda lawinowa
geometrie zwiększające absorpcję światła tak jak np. p-i-n
obszar powielania nośników musi być wąski aby praca była stabilna
przeciwstawne wymagania
oddzielić obszar absorpcji i powielania
• absorpcja w obszarze p
• dryf do obszaru o silnym polu
• powielanie lawinowe w złączu p-n+
Fotodioda lawinowa
• W fotodiodzie lawinowej do
struktury diody PiN wprowadza się
dodatkowy obszar p
• Przy polaryzacji zaporowej w
obszarze tym występuje silne pole
elektryczne
• Przepływające elektrony e nabierają
dużej energii i w wyniku jonizacji
zderzeniowej generują kolejne pary
elektron dziura
• Prąd diody rośnie M krotnie:
Typowe wartości M to ok. 1000
P OWIEL. A BSORPCJA
p
U
i n+
p+
E
x
OPTFD PRTfUMi 0,,
Fotodetektory