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 :
Wf = h
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/ Wf
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
Wf = h jest wi ksza od szeroko ci pasma zabronionego Wg pó przewodnika,
a mechanizm absorpcji domieszkowej, gdy energia Wf b d c mniejsza od Wg
jest wi ksza od energii Wj jonizacji domieszek w tym materiale. St d wynika
d ugofalowy próg absorpcji promieniowania charakteryzowany najwi ksza
d ugo ci fali promieniowania absorbowanego przez pó przewodnik
(rejestrowanego przez detektor).
lmax = hc / Wg lub lmax = hc / Wj
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)/ Smax (l).
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 Iw mo e by wyra ony przy pomocy empirycznego
wzoru:
Badanie detektorów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
Iw= M I0
przy czym I0 jest pr dem nasycenia , M wspó czynnikiem powielania.
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 R0 jest rezystancj fotorezystora przy nat eniu E0 (zwykle 10 lx),
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 Umax , dopuszczalna
moc elektryczna wydzielana w fotorezystorze Pmax, pr d ciemny rezystora
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-e 1 maksymalnej warto ci sygna u (oko o 63%).
Sta a czasowa zanikania sygna u; czas potrzebny aby sygna zmala do e 1
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 RE (E) cz sto
podaje si warto ci rezystancji ciemnej R0 (tj. rezystancji jaka ma
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 Umax
i maksymalna moc rozpraszana przez element Pmax oraz redni
temperaturowy wspó czynnik czu o ci as.
Parametry produkowanych w Polsce fotorezystorów zestawiono w tabeli:
Badanie detektorów promieniowania optycznego