Pyt.16

Metody fotodetekcji.

Detektory światła - systematyka

Proces fotodetekcji polega na

zamianie energii jaką niesie ze sobą sygnał
optyczny na jakąś inną energię w
zależności od rodzaju fotodetektora.
I tak rozróżniamy następujące metod
fotodetekcji:

• fotodetekcja termiczna,

• fotodetekcja chemiczna,

• fotodetekcja kwantowa.

Fotodetekcja termiczna – 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. 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 mogą doprowadzić do wzrostu
temperatury powierzchni, na którą padają).
Przykładem

detektorów

termicznych

są

termopary (działają w oparciu o efekt
termoelektryczny) i bolometry (wykorzystują
zależność oporu metalu od temperatury).

Fotodetekcja chemiczna – podczas absorpcji
światła

zachodzą

reakcje

chemiczne

w

materiale detektora,
w

wyniku

których

następuje

zmiana

właściwości materiału . Mamy dwa podstawowe
typy reakcji jest to fotosynteza
i fotodegradacja. Przykładem fotodetektorów
chemicznych są: klisza fotograficzna, emulsje
światłoczułe, fotorezysty.

Fotodetekcja kwantowa – w tym przypadku,
w wyniku absorpcji światła, jeżeli energia
fotonu E

f

=hf jest większa od wartości przerwy

zabronionej E

g

, dochodzi do generacji nośników

prądu. Możemy rozróżnić trzy zjawiska, na
podstawie

których

działają

fotodetektory

kwantowe :

• zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne,

• zjawisko fotowoltaiczne,

• zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne –
polega na generacji elektronów i dziur w
złączu półprzewodnikowym na skutek absorpcji
energii niesionej przez fotony. Złącze p-n jest
spolaryzowane napięciem zewnętrznym, zatem
na

wygenerowane

nośniki

działa

pole

elektryczne powodując przepływ prądu. Tym
sposobem

powstają powszechnie stosowane

detektory: fotodioda złączowa p-n, fotodioda
p-i-n oraz fotodioda lawinowa.

Zjawisko fotowoltaiczne- podczas absorpcji
fotonów przez nie spolaryzowane złącze p-n
dochodzi do generacji elektronów i dziur w
złączu. Przy udziale napięcia dyfuzyjnego
powstaje na okładkach złącza napięcie
fotowoltaiczne. Na tej zasadzie działają ogniwa
słoneczne.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne
(fotoemisja) –powstaje wówczas, gdy energia
fotonów jest na tyle duża, że pobudzone
optycznie elektrony opuszczają powierzchnię
ciała, a więc następuje fotoemisja. Zjawisko to
jest

wykorzystywane

między

innymi

w

fotopowielaczu oraz fotodiodzie próżniowej.

Klasyfikacja fotodetektorów

Detektory możemy klasyfikować ze względu na:
1. Fizyczne zasady działania (termiczne, chemiczne,
kwantowe)
2. Zastosowanie (telekomunikacja, elektronika,
astronomia)
3. Konstrukcję (elementy pojedyncze, linijki detektorów
CCD)

Jeżeli jako konstruktorzy przystąpimy do projektowania
konkretnego systemu, może okazać się przydatny inny
system klasyfikacji , np.
•spektrum czułości (zakres widmowy)

•czułość (liczniki fotonów, detektory mocy)

•używane materiały (metal, półprzewodnik,

dielektryk)
•cena (fotoprzewodnik < fotodioda< fotopowielacz)

Najczęściej jako fotodetektory w systemach
transmisji wykorzystywane są:
•Fotodiody p-i-n
•Fotodiody lawinowe
•Fotodetektory MSM
Wszystkie te 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 silne
pole elektryczne istniejące w jego pobliżu,
powodując przepływ prądu, określanego mianem
fotoprądu. Natężenie fotoprądu jest wprost
proporcjonalne do padającej na fotodetektor mocy
promieniowania:

RP

I

f



Ponieważ częstotliwość fotonu jest odwrotnie

proporcjonalna do długości fali, z zależności

wynika, że czułość odbiornika rośnie wraz ze

wzrostem długości fali. Czułość zależna jest

także od rodzaju materiału użytego do

budowy a także od grubości warstwy w jakiej

pochłaniane są fotony. Zbyt gruba warstwa

prowadzi do wzrostu czasu jaki potrzebują

nośniki na jej przebycie, co w konsekwencji

ogranicza szybkość działania diody.

Czułość fotodetektora

fotonów

padająadaj

liczba

elektronów

nych

wygenerowa

liczba

_

_

_

_





hf

q

nhf

q

n

P

I

R

f











Wydajność kwantowa

Typy fotodetektorów

Najprostszym z nich jest fotodioda p-n. W

skład spolaryzowanego zaporowo złącza p-n

wykorzystywanego w takiej fotodiodzie

wchodzi tak zwana warstwa zubożona

pozbawiona swobodnych nośników. W tej

warstwie wskutek przyłożonego z zewnątrz

napięcia istnieje silne pole elektryczne szybko

wymiatające generowane tu nośniki i

powodujące 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.

Typy fotodetektorów

Fotodioda p-i-n.
Warstwa samoistna
ma wysoką
rezystancję i w
związku z tym
występuje na niej duży
spadek napięcia.
Również natężenie
pola elektrycznego
osiąga tam duże
wartości.

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.

Typy fotodetektorów

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. 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 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

Typy fotodetektorów