POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

"wiczenie 3

Badanie detektorów

promieniowania optycznego

Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Cel wiczenia

Zapoznanie studentów z detektorami promieniowania elektromagnetycznego

oraz stworzenie mo#liwo$ci samodzielnego porównania i oceny ich

w%a$ciwo$ci min. badanie charakterystyk detekcyjno$ci widmowych, pomiar

charakterystyk statycznych.

1. Wst!p teoretyczny

Fotodetektory

Promieniowanie elektromagnetyczne padaj&ce na jak&$ substancje mo#e

zosta' odbite, zaabsorbowane lub te# mo#e przej$' przez t( substancje

z pewnym niewielkim tylko os%abieniem jego nat(#enia. Detektory

promieniowania elektromagnetycznego konstruuje si( w taki sposób, by

maksymalna cz($' padaj&cego na nie promieniowania zosta%a w nich

zaabsorbowana.

Promieniowanie optyczne jest cz($ci& bardzo szerokiego widma

promieniowania elektromagnetycznego obejmuj&cego zakres fal o d%ugo$ci

od 10 nm do kilku um. Zakres ten jest dzielony na trzy podzakresy:

promieniowanie ultrafioletowe (l<380 nm)

promieniowanie widzialne (l =380 - 780 nm)

promieniowanie podczerwone (l>780 nm)

Promieniowanie optyczne jest natury korpuskularno falowej czyli mo#na je

traktowa' jako rozchodz&c& si( fal( o cz(sto$ci u albo jako strumie) fotonów,

z których ka#dy niesie energi(:

W = h!

f

gdzie h jest sta%& Plancka. Poniewa# mi(dzy d%ugo$ci& a cz(stotliwo$ci& fali

istnieje zwi&zek

l = c/!

w którym c jest pr(dko$ci& $wiat%a. D%ugo$' fali odpowiadaj&cej energii

fotonu okre$la zale#no$':

l = hc/ W

f

f

Zjawiska elektryczne zachodz&ce pod wp%ywem promieniowania nazywa si(

ogólnie zjawiskami fotoelektrycznymi. Mog& one mie' charakter zewn(trzny

lub wewn(trzny. Zjawisko fotoelektryczne zewn(trzne powstaje wówczas,

Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

gdy energia fotonów jest na tyle du#a, #e pobudzone optycznie elektrony

opuszczaj& powierzchni( cia%a, a wi(c nast(puje fotoemisja. Je#eli energia

fotonów jest mniejsza, tak #e nie jest mo#liwa fotoemisja, a jedynie zmiana

stanu energetycznego elektronów cia%a, to zjawisko fotoelektryczne okre$la

si( jako wewn(trzne. Zjawisko fotoelektryczne wewn(trzne mo#e przejawia'

si( wzrostem przewodnictwa elektrycznego pó%przewodnika lub dielektryka -

nazywa si( je wówczas zjawiskiem fotoprzewodnictwa, lub powstaniem si%y

elektromotorycznej w pó%przewodniku o wyra*nie ukszta%towanym z%&czu p-n

nazywa si( je wówczas zjawiskiem fotowoltaicznym.

Fotodetektory

wykorzystuj&ce

zjawisko

fotoelektryczne

zewn(trzne

(fotokomórki i fotopowielacze) s& obecnie w zasadzie stosowane

w specjalistycznej

aparaturze

np.

do

precyzyjnych

pomiarów

fotometrycznych.

Powszechnie

stosowane

obecnie

fotodetektory

wykorzystuj& zjawisko fotoelektryczne wewn(trzne. S& to fotorezystory,

fotodiody, fototranzystory i fototyrystory.

Zjawisko fotoelektryczne wewn(trzne w pó%przewodnikach polega na

generowaniu

swobodnych

no$ników

%adunku

wskutek

absorpcji

promieniowania optycznego. Wyró#nia si( dwa podstawowe mechanizmy:

mi(dzypasmowy prowadz&cy do uwolnienia elektronu i dziury,

domieszkowy prowadz&cy do uwolnienia elektronu lub dziury.

Mechanizm absorpcji mi(dzypasmowej zachodzi wówczas, gdy energia fotonu

W = h! jest wi(ksza od szeroko$ci pasma zabronionego W

f

g pó%przewodnika,

a mechanizm absorpcji domieszkowej, gdy energia W b(d&c mniejsza od W

f

g

jest wi(ksza od energii W jonizacji domieszek w tym materiale. St&d wynika

j

d%ugofalowy próg absorpcji promieniowania charakteryzowany najwi(ksza

d%ugo$ci& fali promieniowania absorbowanego przez pó%przewodnik

(rejestrowanego przez detektor).

l

= hc / Wg lub l

= hc / W

max

max

j

Istnieje tak#e minimalna d%ugo$' fali promieniowania wykrywanego przez

fotodetektor. Ograniczenie to jest spowodowane wzrostem wspó%czynnika

poch%aniania " w miar( zmniejszania d%ugo$ci fali promieniowania, wskutek

p

czego promieniowanie mimo wzrostu energii fotonów, wywo%uje coraz

s%absz& generacj( no$ników, gdy# nie mog&c wnikn&' w g%&b materia%u jest

absorbowane w coraz cie)szej warstwie przypowierzchniowej (Rys.1).

Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Rys.1. Zale no!" wspó#czynnika poch#aniania " i fotoprzewodnictwa G pó#przewodnika od d#ugo!ci fali p

f

absorbowanego promieniowania

Wzrost koncentracji swobodnych no$ników %adunku wywo%any o$wietleniem

pó%przewodnika promieniowaniem o odpowiedniej d%ugo$ci fali przejawia si(

wzrostem przewodnictwa elektrycznego. To dodatkowe przewodnictwo jest

nazywane fotoprzewodnictwem, w odró#nieniu od przewodnictwa tzw.

ciemnego

uwarunkowanego

cieplnym

wzbudzeniem

no$ników.

Fotoprzewodnictwo wyst(puje tylko w okre$lonym przedziale widma

promieniowania,

ró#nym

dla

poszczególnych

materia%ów

pó%przewodnikowych.

W zjawisku fotoprzewodnictwa bardzo du#e znaczenie ma fakt, #e istniej&

no$niki %adunku dodatniego i ujemnego (dwuno$nikowy mechanizm

przewodzenia pr&du). Pozwala to na wytwarzanie du#ych koncentracji

nadmiarowych no$ników %adunku i zachowanie jednocze$nie wypadkowej

neutralno$ci elektrycznej nie tylko w ca%o$ci uk%adu, ale i lokalnie (warto tu

zwróci' uwag(, #e zjawisko fotoprzewodnictwa nie wyst(puje w metalach,

w których jest tylko jeden rodzaj no$ników %adunku).

W takich fotodetektorach zawsze wyst(puj& procesy fizyczne: wytworzenie

no$ników %adunku przez promieniowanie elektromagnetyczne padaj&ce na

pó%przewodnik, przeniesienie (transport) tych no$ników przez obszar

pó%przewodnika do kontaktów metalowych %&cz&cych ten pó%przewodnik

z zewn(trznym obwodem elektrycznym, oraz oddzia%ywanie fotopr&du

dop%ywaj&cego do kontaktów z zewn(trznym obwodem elektrycznym.

Charakter wymienionych procesów jest zwykle ró#ny w poszczególnych

typach detektorów pó%przewodnikowych, warunkuje on parametry

eksploatacyjne tych fotodetektorów, oraz okre$la mo#liwo$ci ich zastosowa).

Cz(sto mo#na si( spotka' z okre$leniem "czu%o$' widmowa" lub "wzgl(dna

czu%o$' widmowa". Chodzi tu o czu%o$' pr&dow& lub napi(ciow&, jaka

charakteryzuje detektor przy danej d%ugo$ci fali padaj&cego promieniowania.

Zwykle czu%o$' widmow& podaje si( w postaci odpowiedniego wykresu S(l).

Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Przez wzgl(dn& czu%o$' widmow& rozumie si( w tym przypadku czu%o$'

odniesion& do jej warto$ci maksymalnej: S(l)/ S

(l).

max

Rys.2 Przebieg wzgl$dnej czu#o!ci widmowej kilku materia#ów pó#przewodnikowych, z których wytwarza si$

przyrz%dy fotoelektryczne.

Fotodiody

Przyrz&dy

fotoelektryczne

z

warstw&

zaporow&

tzw.

fotodiody

pó%przewodnikowe, s& to najogólniej bior&c, z%&cza pn, w których zak%ócenia

koncentracji no$ników mniejszo$ciowych dokonuje si( za pomoc& energii

fotonów docieraj&cych do z%&cza przez odpowiednie okienko wykonane

w obudowie fotodiody. Z%&cza pn fotodiod s& wykonywane z ró#nych

materia%ów pó%przewodnikowych, najcz($ciej stosuje si( german (Ge), krzem

(Si), oraz arsenek galowy (GaAs) i telurek kadmowy (CdTe). W obszarze

warstwy zaporowej z%&cza pn zachodz& wskutek o$wietlenia dwa zjawiska:

powstaje si%a elektromotoryczna (zjawisko fotowoltaiczne - fotoogniwo) oraz

ro$nie proporcjonalnie do padaj&cego strumienia fotonów pr&d p%yn&cy przez

z%&cze pn w przypadku gdy z%&cze spolaryzowane jest w kierunku zaporowym

(fotodioda).

Fotodioda pracuje przy polaryzacji z%&cza w kierunku zaporowym. W stanie

ciemnym (przy braku o$wietlenia) przez fotodiod( p%ynie tylko pr&d ciemny,

b(d&cy pr&dem wstecznym z%&cza okre$lonym przez termiczn& generacj(

no$ników. O$wietlenie z%&cza powoduje generacj( dodatkowych no$ników

i wzrost pr&du wstecznego z%&cza, proporcjonalny do nat(#enia padaj&cego

promieniowania.

Parametry niektórych fotodiod zestawiono w tabeli (FG2 fotodioda

germanowa, pozosta%e krzemowe).

Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Fotodiody charakteryzuj& si( du#& szybko$ci& dzia%ania (znacznie wi(ksz& ni#

fotorezystory

i

fototranzystory)

dochodz&c&

do

setek

MHz.

W zastosowaniach, w których wymagana jest du#a szybko$' dzia%ania stosuje

si( specjalne konstrukcje fotodiod: fotodiody pin i fotodiody lawinowe.

W fotodiodzie pin mi(dzy domieszkowanymi obszarami p oraz n znajduje si(

warstwa pó%przewodnika samoistnego i. W takiej strukturze warstwa

zaporowa ma du#& grubo$', równ& w przybli#eniu grubo$ci warstwy

samoistnej, co powoduje #e pojemno$' takiego z%&cza jest bardzo ma%a,

z czym wi&#e si( ma%a bezw%adno$' dzia%ania fotodiody.

Fotodioda lawinowa jest elementem pracuj&cym w zakresie przebicia

lawinowego z%&cza pn.

Je#eli no$nik mniejszo$ciowy np. elektron wytwarzaj&cy pr&d nasycenia

zostaje przyspieszony w polu elektrycznym z%&cza do energii kinetycznej

równej lub wi(kszej 3/2 Eg, mo#e on przekaza' cz($' swojej energii

elektronowi z pasma walencyjnego i zjonizowa' go do pasma przewodnictwa.

W ten sposób nast(puje generacja pary elektron-dziura, a elektron zmniejsza

swoj& energi( kinetyczn&. Teraz mamy ju# 2 elektrony i 1 dziur(, które mog&

nabywa' energii w polu elektrycznym w z%&czu pn. Gdy one z kolei osi&gn&

energie wynosz&ce 3/2 Eg, ka#de z nich mo#e wytworzy' nast(pn& par(

elektron-dziura. Proces ten powtarza si( wielokrotnie w sposób lawinowy.

Przebicie lawinowe bywa cz(sto zlokalizowane w kilku obszarach zwanych

"mikroplazmami". Ka#da mikroplazma dzia%a w sposób przerywany,

przewodz&c pr&d w postaci ci&gu impulsów. Przebicie lawinowe zachodzi

w postaci przypadkowych zrywów, których sumowanie wywo%uje intensywne

szumy w szerokim zakresie cz(stotliwo$ci. W zakresie przebicia lawinowego

pr&d jest proporcjonalny do napi(cia w pot(dze zawieraj&cej si( w granicach

od 3 do 6. Pr&d wsteczny I mo#e by' wyra#ony przy pomocy empirycznego

w

wzoru:

Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

I = M I

w

0

przy czym I jest pr&dem nasycenia , M wspó%czynnikiem powielania.

0

Wskutek lawinowego powielania liczby no$ników generowanych przez $wiat%o

przyrost pr&du spowodowany o$wietleniem diody jest M-krotnie wi(kszy,

przy czym M jest wspó%czynnikiem powielania o warto$ci zale#nej od napi(cia

polaryzacji fotodiody. Fotodiody lawinowe maja zwykle konstrukcje

optymalizowane do detekcji promieniowania widzialnego zmodulowanego

sygna%em wielkiej cz(stotliwo$ci, a tak#e szybko narastaj&cych impulsów

tego promieniowania.

Fotorezystory.

Fotorezystorem nazywa si( element pó%przewodnikowy bezz%&czowy, który

pod wp%ywem promieniowania $wietlnego silnie zmienia swoj& rezystancj(.

Cz($' robocz& ($wiat%oczu%&) fotorezystora stanowi cienka warstwa

pó%przewodnika osadzona na pod%o#u dielektrycznym wraz z elektrodami

metalowymi doprowadzaj&cymi pr&d ze *ród%a zewn(trznego. Ca%o$'

umieszcza si( w obudowie z okienkiem, s%u#&cym do przepuszczania

promieniowania $wietlnego. Strumie) $wiat%a o odpowiedniej d%ugo$ci fali

l wywo%uje generacj( par elektron dziura, ta dodatkowa liczba elektronów

i dziur zwi(ksza konduktywno$' pó%przewodnika, co w rezultacie powoduje

zmniejszenie rezystancji fotorezystora.

Rys.3 Charakterystyki pr%dowo napi$ciowe fotorezystora dla ró nych warto!ci nat$ enia o!wietlenia Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Najcz($ciej mo#na spotka' fotorezystory wykonane z takich materia%ów jak:

siarczek o%owiowy (PbS), telurek o%owiowy (PbTe), samoistny albo

odpowiednio aktywowany german (Ge), antymonek indowy (InSb), oraz

siarczek kadmowy (CdS). Charakterystyk( rezystancyjno - o$wietleniow&

przedstawia zale#no$' rezystancji RE fotorezystora od nat(#enia o$wietlenia E

mo#e by' opisana w przybli#eniu wzorem empirycznym:

gdzie R jest rezystancj& fotorezystora przy nat(#eniu E (zwykle 10 lx), 0

0

natomiast g jest wspó%czynnikiem sta%ym, którego wielko$' zale#y g%ównie od

rodzaju materia%u pó%przewodnikowego (dla CdS g =0.5-1).

W praktyce zastosowania fotorezystorów jako detektorów promieniowania

podstawowe znaczenie maj& poni#sze parametry techniczne:

Temperatura detektora T - przez temperatur( detektora rozumie si(

temperatur( jego aktywnego obszaru, a wi(c dla fotorezystorów temperatur(

któr& ma podczas pracy detektora warstwa pó%przewodnika podlegaj&ca

o$wietleniu.

Powierzchnia aktywnego obszaru detektora A - w przypadku

fotorezystorów mo#na w pewnym przybli#eniu powiedzie' #e chodzi tu

o wielko$' powierzchni pó%przewodnika podlegaj&c& o$wietleniu.

Parametry elektryczne zwi"zane z punktem pracy fotorezystora -

dopuszczalne napi(cie mi(dzy ko)cówkami fotorezystora U

, dopuszczalna

max

moc elektryczna wydzielana w fotorezystorze P , pr&d ciemny rezystora

max

przy danym napi(ciu na jego zaciskach oraz napi(cie okre$laj&ce punkt

pracy.

Czu#o$ detektora S - ka#dy detektor ma zakres pracy, w którym warto$'

sygna%u wyj$ciowego jest proporcjonalna do warto$ci sygna%u wej$ciowego.

W tym zakresie stosunek tych warto$ci nazywa si( czu%o$ci& detektora. Dla

detektorów promieniowania podaje si( czu%o$' pr&dow& lub czu%o$'

napi(ciow&. Czu#o!" pr%dowa jest okre$lona jako stosunek przyrostów

zwarciowego pr&du fotoelektrycznego do strumienia promieniowania

padaj&cego na detektor. Czu#o!" napi$ciowa okre$la si( jako stosunek

przyrostów napi(cia fotoelektrycznego wyst(puj&cego na rezystancji

obci&#enia (przy dopasowaniu) do strumienia promieniowania padaj&cego na

detektor. Jednostkami czu%o$ci detektorów promieniowania s& odpowiednio

ampery na wat lub wolty na wat .

Sta#a czasowa detektora - sta%a czasowa narastania sygna%u; czas

potrzebny do uzyskania 1- 1

#

e maksymalnej warto$ci sygna%u (oko%o 63%).

Sta%a czasowa zanikania sygna%u; czas potrzebny aby sygna% zmala% do 1

#

e

jego warto$ci maksymalnej (oko%o 37% ).

Badanie detektorów promieniowania optycznego

POLITECHNIKA ÓDZKA

KATEDRA PRZYRZ!DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

W skróconym opisie fotorezystora zamiast charakterystyki R (E) cz(sto

E

podaje si( warto$ci rezystancji ciemnej R (tj. rezystancji jaka ma

0

fotorezystor przy ca%kowicie zaciemnionej powierzchni czynnej) oraz

rezystancji jasnej RE dla okre$lonej warto$ci nat(#enia o$wietlenia E

(najcz($ciej E=1000 lx). Do wa#niejszych szczególnych parametrów

fotorezystorów nale#& jeszcze: maksymalne dopuszczalne napi(cie U

max

i maksymalna moc rozpraszana przez element

P

oraz $redni

max

temperaturowy wspó%czynnik czu%o$ci a .

s

Parametry produkowanych w Polsce fotorezystorów zestawiono w tabeli:

Badanie detektorów promieniowania optycznego