16. Metody fotodetekcji.

Detektory światła –

systematyka.

Ireneusz Bylica

Fotodetekcja

Fotodetekcja jest procesem

polegającym na

zamianie energii jaką niesie ze sobą

sygnał

optyczny (energii elektromagnetycznej)

na

inną postać energii, w zależności od

zastosowanego układu fotodetekcji.

Fotodetekcja

Promieniowanie

elektromagnetyczne padające

na jakąś substancje może

zostać odbite (1),

zaabsorbowane (2) lub też

może przejść przez substancje

(3) z pewnym niewielkim tylko

osłabieniem jego natężenia.

Detektory promieniowania elektromagnetycznego

konstruuje się w taki sposób, by maksymalna część

padającego na nie promieniowania została w nich

zaabsorbowana.

Fotodetekcja

Promieniowanie elektromagnetyczne

jest rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem

pola

elektromagnetycznego. Posiada ono charakter fali
poprzecznej, w której składowa elektryczna i

magnetyczna

prostopadłe do siebie i kierunku ruchu.

2

2

2

2

2

2

E

E

t

H

H

t

me

me

�

� =

�

�

�

=

�

1

v

me

=

9

0

7

0

1

10

36

4 10

F

m

H

m

e

p

m

p

-

-

=

�

=

�

8

3 10

m

c

s

= �

Prędkość fali

elektromagnetycznej

w próżni

Fotodetekcja

Światło –

potocznie widzialna część

promieniowania elektromagnetycznego,

obejmująca zakres od 380 -780 nm. W nauce

pojęcie światła jest szersze, gdyż w obejmuje

również sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i

podczerwień.

Ultrafiolet

10 – 380 nm

Podczerwie

ń

780 - 1000
nm

Fotodetekcja w telekomunikacji

Fotodetekcja

Rodzaje fotodetekcji:

• termiczna
• chemiczna
• kwantowa

Fotodetekcja termiczna

Zjawisko występuje, gdy padające fotony powodują wzrost
temperatury detektora, spowodowany pochłonięciem ich

energii, a

wzrost temperatury powoduje wystąpienie zjawisk

wtórnych (np.

zmiana oporu, powstanie napięcia termoelektrycznego,

zmiana

pojemności elektrycznej, zmiana ciśnienia gazu), które

służą jako

wskaźniki występowania promieniowania.

Fotodetekcja termiczna

Wykorzystywane zjawiska:

• Efekt termoelektryczny (zjawisko Seebecka)
• Termorezystancja
• Efekt piroelektryczny
• Detektory pneumatyczne

Zjawisko Seebecka

Zjawisko

polegające

na

powstaniu

siły

elektromotorycznej

w

konsekwencji

tego

przepływie

prądu

elektrycznego w

miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o
różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie
termoelektrycznym.

(

) (

)

2

1

B

A

V

S

S

T T

=

-

� -

Detektory termiczne

Są one dużo mniej czułe i wolniejsze w reakcji na bodziec niż detektory
kwantowe. Ich zaletą i jednocześnie wadą jest możliwość detekcji
promieniowania ze znacznie szerszego zakresu długości fal (zarówno
promieniowanie gamma, jak i mikrofale mogądoprowadzić do wzrostu
temperatury powierzchni, na którą padają).

Fotodetekcja chemiczna

W tym rodzaju fotodetekcji podczas absorpcji światła
zachodzą reakcje chemiczne w materiale detektora,

w

wyniku których następuje zmiana właściwości

materiału .

Występują dwa podstawowe typy reakcji jest to
fotosynteza i fotodegradacja.

Przykładem fotodetektorów chemicznych są: klisza
fotograficzna, emulsje światłoczułe, fotorezysty.

Fotodetekcja kwantowa

Rodzaje fotodetekcji kwantowej:

• zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne,

• zjawisko fotowoltaiczne,

• zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne
zewnętrzne

Zjawisko to polega na emisji elektronów z powierzchni

przedmiotu.

Występuje

po

naświetlaniu

promieniowaniem

elektromagnetycznym

(np. światłem) o odpowiedniej częstotliwości (długości fali)

detektora.

Progowa długość fali przy której zajdzie zjawisko zależy od

rodzaju

materiału, z którego zbudowany jest detektor. Emitowane w

ten sposób

elektrony nazywa się fotoelektronami. Emisja ich zależy jedynie

od

częstotliwości promieniowania.

k

W E

w = +

h

2 c

p

w

l

=

Zjawisko fotoelektryczne
wewnętrzne

Zjawisko to polega na generacji elektronów i dziur w złączu

półprzewodnikowym na skutek absorpcji fotonów o energii

przekraczającej wartość przerwy zabronionej.

Zjawisko fotowoltaiczne

Efekt fotowoltaiczny, zjawisko polegające na

powstaniu siły elektromotorycznej w ciele

stałym

pod wpływem promieniowania świetlnego.

Zjawisko to jest wykorzystywane w ogniwach

fotowoltaicznych, które coraz częściej

zastępują

inne rodzaje źródeł energii.

Klasyfikacja fotodetektorów

Podział ze względu na :

• Fizyczne zasady działania (termiczne, chemiczne, kwantowe)
• Zastosowanie (telekomunikacja, elektronika, astronomia)
• Konstrukcję (elementy pojedyncze, linijki detektorów CCD)

Fotodetektory w
telekomunikacji

W systemach transmisji najczęściej

stosuję się

następujące detektory kwantowe:

• fotodiody p-n
• fotodiody p-i-n
• fotodiody lawinowe
• fotodetektory MSM

Fotodetektory

Wszystkie fotodetektory wykorzystują generację

nośników

w spolaryzowanym zaporowo złączu p-n. Pary nośników
wygenerowane przez fotony przy złączu są rozdzielane i
usuwane w różne strony przez pole elektryczne,

powodując

przepływ fotoprądu.

Natężenie fotoprądu jest proporcjonalne do padającej

na

fotodetektor mocy promieniowania optycznego P.

f

I

RP

=

A

R

W

� �

� �

� �

- Czułość fotodetektora

Fotodetektory

Ważnym

parametrem

fotodetektora

jest

wydajność kwantowa, która jest ściśle
związana z czułością.

e

f

N

N

h =

e

N

f

N

-

liczba wygenerowanych elektronów

- liczba padających fotonów

q

R

hf

h

=

Fotodioda p-n

Najprostszym fotodetektorem jest fotodioda p-n. Podczas połączenie półprzewodnika
typu p z półprzewodnikiem typu n o obszarze złącza powstaje pozbawiona swobodnych
nośników warstwa zubożona. W skutek przyłożonego napięcia, silne pole elektryczne
szybko wymiata generowane w złączu nośniki. Powoduje to przepływ prądu w obwodzie
zewnętrznym

Szybkość

działania

takiej

fotodiody jest rzędu ~100ps.
Niestety pary elektron-dziura
są generowane również w
sąsiadującej

z

warstwą

zubożoną

warstwie

dyfuzyjnej,

która

jest

praktycznie pozbawiona pola
elektrycznego.
Wygenerowane

nośniki

muszą dotrzeć do warstwy
zubożonej

w

sposób

dyfuzyjny, co jest procesem
znacznie

wolniejszym

od

dryftu.

Fotodioda p-i-n

Prostym sposobem na zwiększenie szerokości warstwy
zubożonej jest umieszczenie pomiędzy warstwami p-n
półprzewodnika samoistnego. Warstwa samoistna (i) ma
wysoką rezystancję i w związku z tym występuje na niej duży
spadek napięcia. Również natężenie pola elektrycznego
osiąga tam duże wartości.

Fotodioda p-i-n

Składnik prądu spowodowany dryftem jest w fotodiodzie p-i-n
dominujący, co jest zasadniczą różnicą w odniesieniu do fotodiod
p-n i stanowi o bardzo dużych szybkościach działania tych
pierwszych. Pasma typowych fotodiod p-i-n są rzędu kilku do
kilkuset GHz. Jednak szybkość działania takiej fotodiody ogranicza
jej pojemność, wywołana zmianami zgromadzonego ładunku.

Fotodioda lawinowa

Kolejnym

rodzajem

fotodetektora używanego w

telekomunikacji

światłowodowej

jest

fotodioda lawinowa. Oprócz

warstw znanych z diody p-i-n

ma ona dodatkową warstwę,

w której przy przyłożeniu

odpowiedniego

napięcia

zewnętrznego istnieje bardzo

silne pole elektryczne.

W tej warstwie elektrony i dziury mogą osiągać energię
kinetyczną wystarczającą do generacji nowych par elektron-
dziura. Proces ten jest zwany jonizacją zderzeniową.

Fotodioda lawinowa

W fotodiodach lawinowych pojedynczy nośnik, wygenerowany
przez pochłonięcie fotonu, może wskutek powielania
lawinowego, stworzyć wiele wtórnych nośników powodując
zwiększenie płynącego przez foto diodę prądu. Istotną wadą
takich fotodetektorów jest zależność współczynnika powielania
lawinowego od temperatury(amplituda drgań termicznych).

Fotodetektor MSM

Fotodetektor typu MSM

składa się z dwóch

metalowych

elektrod

oddzielonych

warstwą

półprzewodnika.
W

półprzewodniku

generowane

są

fotoelektrony,

które

następnie są zbierane

przez

metalowe

elektrody

powodując

przepływ prądu.

Zaletą tych fotodetektorów jest mała pojemność

wewnętrzna, co daje dużą szybkość działania

porównywalną z fotodiodami p-i-n, dobre własności

szumowe, a przede wszystkim łatwość scalania z

tranzystorami, co umożliwia tworzenie optycznych

układów

scalonych.

Podstawową

wadą

jest

stosunkowo niewielka czułość

CCD (Charge Coupled Device)

Światło pochłonięte w podłożu, w pobliżu kondensatora MOS,
tworzy układ ładunków pułapkowanych pod bramką. Trójfazowy
rejestr przemieszcza studnie potencjału, która przesuwa
ładunek do obszaru, gdzie jest szeregowo odczytywany.

Detektory - parametry