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