16. Metody fotodetekcji.
Detektory światła –
systematyka.
Ireneusz Bylica
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