Detektory

Detektory
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1997-2003
Fotodetektor
Prąd wyjściowy (mA)
Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii
światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w
systemach światłowodowych jest liniowa.
nachylenie =
czułość (mA/mW)
P
Optyczna moc
wejściowa (mW)
Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 mA/mW
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
2
Liniowy odbiornik światłowodowy
Układ
dopasowująco
-korekcyjny
Transformator
prądowy
Fotodetektor
liniowy
Wzmacniacz
CATV
Transformator prądu, poprzez dopasowanie fotodiody i wzmacniacza
pozwala zmniejszyć szumy modułu detekcji
Schemat szerokopasmowego odbiornika optycznego zawiera:
• układ dopasowania impedancji fotodiody
• transformator prądowy
• wzmacniacz w.cz.
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
3
Elementy składowe układu detekcji
sygnał
optyczny
wzmacniacz
Filtr
dolnoprzep.
Fotodioda
Zasilacz
Detektor
(front-end)
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Układ
decyzyjny
dane
Synchronizacja
(clock recovery)
ARW.
Kanał
liniowy
Detektory
Regeneracja
sygnału
4
Klasyfikacja detektorów
Detektory możemy klasyfikować ze względu na:
1. Fizyczne zasady działania (termiczne, kwantowe)
2. Zastosowanie (telekomunikacja, ..., astronomia)
3. Konstrukcję (elementy pojedyncze, ..., linijki detektorów CCD)
Jeżeli jako konstruktorzy przystąpimy do projektowania zamówionego
system, 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)
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
5
Klasyfikacja detektorów za względu na zasadę działania
1. detektory kwantowe (oddziaływanie kwantowe między
światłem i elektronami):
•
•
•
fotoemisja (zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne),
fotoprzewodnictwo (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne),
efekt fotowoltaiczny.
2. detektory termiczne:
•
•
•
•
efekt termoelektryczny,
termorezystancja,
efekt piroelektryczny,
detektory pneumatyczne.
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
6
Czułość widmowa detektorów
detektor termiczny
idealny detektor kwantowy
Czułość [jedn. dow]
1
rzeczywisty detektor
kwantowy
0
0
200
400
600
800
1000
długość fali [nm]
1,24
E [eV ] =
λ [µm]
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
7
Podstawy
hν
fotony
+
d
Ed
Ea
Fotoprzewodnictwo.
W fotoprzewodniku absorpcja
fotonów o energii hν zwiększa
przewodnictwo półprzewodnika.
Jeżeli elektron otrzyma od fotonu
ilość energii odpowiednią do
pokonania przerwy zabronionej Eg
w materiale powstanie para
elektron - dziura (elektron w
paśmie przewodnictwa i dziura w
paśmie walencyjnym).
W obecności pola elektrycznego
dziury i elektrony poruszają się w
przeciwnych kierunkach
elektron
Eg
+
dziura
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
8
Efektywność
kwantowa
Foto-prąd jest proporcjonalny do mocy padającego światła:
I p = RPin
gdzie R - czułość [A/W]
Efektywność kwantowa:
η=
I q hν
liczba wygenerowa nych elektronów
R
= p
=
liczba padająadaj fotonów
Pin hν q
stąd czułość:
ηq ηλ
,
R=
≈
hν 1,24
(ν = c / λ )
λ = [µm], q = 1,602*10-19 C,
c = 3*108 m/s, h = 6,62*10-34 J.s
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
9
Zależność czułości detektora
od współczynnika absorpcji
Ptr = exp(− αd )Pin
Pabs = Pin − Ptr = [1 − exp(− αd )]Pin
Liczba fotonów ~Pin, liczba generowanych elektronów ~Pabs
stąd efektywność kwantowa:
η=
Pabs
= 1 − exp(− αd )
Pin
η = 0 dla α = 0,
η ≈ 1 dla αd >> 1
(jeżeli wsp. odbicia ℜ>0)
η = (1 − ℜ )[1 − exp(− αd )]
R~λ
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
10
Współczynniki absorpcji różnych półprzewodników
10-1
Ge
GaAs
GaAs
102
Si
101
In.53Ga.47As
103
101
0,4
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
0,6
0,8
1,0
1,2 1,4
długość fali [µm]
Detektory
1,6
102
głębokość wnikania [µm]
100
104
In.7Ga.3As.64P.36
współczynnik absorpcji [cm-1]
105
103
1,8
11
Światłowodowa dioda PIN
Rdzeń włókna
Pokrycie antyrefleksyjne
Pokrycie włókna
Padające światło
Kontakt metalowy (-)
Obszar P+
Obszar samoistny
Dziura
Elektron - Dziura
Elektron
Obszar N+
Kontakt metalowy (+)
Dioda PIN tworzona jest przez trzy obszary
półprzewodnika: p, samoistny (i) oraz n
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
12
Dioda lawinowa (APD) - konstrukcja światłowodowa
Rdzeń włókna
Pokrycie włókna
Pokrycie antyrefleksyjne
Padające światło
Kontakt metalowy (+)
Obszar N+
Pole elektryczne
P region
Obszar P+
Kontakt metalowy (-)
APD - fotodioda, która wykazuje wewnętrzne wzmocnienie,
realizowane przez lawinowe powielanie nośników w obszarze
złącza.
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
13
Schematy podstawowych detektorów półprzewodnikowych
Kontakt pierścieniowy
p+
p+
i
i
n+
π
n+
Kontakt n
APD
PIN
(Avalanche Photo Diode)
Półprzepuszczalny kontakt Au
Kontakt (n)
n
n+
n+
SI (semi insulating)
SI
MSM
Dioda Schotky'ego
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Elektrody
międzypalczaste
+ - + - + -
Detektory
14
Detektory kwantowe - wybrane parametry katalogowe
Parametr
Si-PIN
Si-APD
fotopowielacz
Średnica aktywna-mm
0.1 do > 10
0.1 do16
kilka do > 50
Zakres spektralny-nm
185 do 1150
350 do 1150
110 do 700
Efektywność kwantowa
>90% @ max
~60% @200nm
~50% @1060nm
Czułość
Średnia
Duża
Duża
Wymagana polaryzacja
0-100 V
100-500 V
kilka kV
Odporność na przeciążenia
Bardzo dobra
Bardzo dobra
Zła-Średnia
Wielkość
Mała
Mała
Średnia-Duża
Czas uruchomienia
<1 µm
<1 µm
sek. do godz.
Czas życia
> 10 lat
> 10 lat
Zależy od syg.
Łatwość użytkowania
Prosta
Średnia
Średnia
Cena
Mała
Średnia
Średnia-Wysoka
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
15
Charakterystyki widmowe diody krzemowej
0.7
Ultrafiolet
Widzialne
Podczerwień
Czułość [A/W]
0.6
0.5
0.4
Niebieska+
0.3
0.2
Normalna fotodioda
krzemowa
UV+
0.1
0
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 1100
Długość fali [nm]
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
16
Porównanie czułości detektorów
Diody PIN
Moc 1E-7
Fotopowielacz
500 nm,
efekt. kw. 25%
[W] 1E-8
Fotodiody
lawinowe
1E-9
SNR = 5
BER = 10-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
10k
100k
1M
10M
100M
1G
Częstotliwość [Hz]
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
17
Wzmacniacze obrazu - zasada działania
Fotoka toda
półprze pus zczlna
Ekra n fluore s ce ncyjny
P ole e le ktryczne
S wia tło wyjś ciowe
E
+600V
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
18
Fotopowielacz
Elektroda ogniskująca
Ostatnia dynoda
Elektrony wtorne
Próżnia
10-4 Pa
Swiatło
Okno
Wejściowe
Fotokatoda
Dynody
Anoda
Cokół
lampy
Fotopowielacz to lampa elektronowa o szklanej, metalowej lub ceramicznej
obudowie, zawierająca fotokatodę która oświetlona emituje elektrony.
Dynody emitują elektrony wtórne zbierane ostatecznie przez anodę
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
19
Termopara
Złącze
pomiarowe
Metal B
Absorber
Złącze
odniesienia
Metal A
Metal B
V
Stała Seebecka ~kilka µV/°C, maksymalnie BiSb 100 µV/°C
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
20
Termorezystor
Ele me nt (a bs orbe r)
a ktywny
BOLOMETR
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
21
Detektor
piroelektryczny
Vb
P romie niowa nie
J FET
10E11 Ohm
10E6 Ohm
S ygna ł
10E10 Ohm
+
Wzma cnia cz ope ra cyjny
S ygna ł
De te ktor P yroe le ktryczny
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
22
Komórka Golay’a
Zbiornik
pneumatyczny
Promieniowanie
Okno
Membrana
Źródło
światła
Gaz
Element
absorpcyjny
Detektor
Komórka Golay’a. Połączenie elementów: pneumatycznego, optycznego,
dodatkowego źródła światła, detektora półprzewodnikowego
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
23
Detektor CCC-zasada działania (1)
Elektroda Bramki
Swiatło
Dwutlenek krzemu
detektorów CCD. Światło
-
VG
Zasada działania linijki
pochłonięte w podłożu w
+
Podłoże krzemowe (p)
Obszer zubożony
obszarze kondensatora MOS,
tworzy układ ładunków
pułapkowanych pod bramką.
Trójfazowy rejestr tworzy
1
poruszającą się studnie
V
2
V
3
potencjału, która przesuwa
G3
G1
G2
G3
G1
ładunek do obszaru, gdzie jest
szeregowo czytany
podłoże krzmowe (p)
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
24
Detektor CCC-zasada działania (2)
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
25
Pytania kontrolne
1. Klasyfikacja detektorów - opisać i porównać charakterystyki czułości
(wykres)
2. Naszkicować charakterystykę czułości detektora krzemowego. Jak
charakterystyka zależy od typu i konstrukcji detektora. Jak zmieni się
jeżeli zmienimy materiał, na przykład na arsenek galu.
3. Opisać (i narysować) podstawowe typy półprzewodnikowych detektorów
światła.
(c) Sergiusz Patela 1997-2003
Detektory
26