Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 optoelectronics Podstawy Fotoniki Fotodetektory.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 optoelectronics Podstawy Fotoniki Fotodetektory."— Zapis prezentacji:

1 1 optoelectronics Podstawy Fotoniki Fotodetektory

2 2Detektory Oko jest jednym z najbardziej czułych detektorów światła. Klisza fotograficzna Aparat cyfrowy Fotokomórka Dłoń może być detektorem światła.

3 3 optoelectronics Fotodetektory Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał - detektory termiczne, wykorzystują zmiany temperatury ośrodka, ich czułość jest mało zależna od długości fali, tzw. detektory szare. - detektory fotoelektryczne efekt fotoelektryczny zewnętrzny bądź wewnętrzny. Efekt fotoelektryczny zewnętrzny: uwalnianie elektronów z powierzchni materiału pod wpływem padającego światła = fotemisja

4 4 optoelectronics Efekt fotoelektryczny zewnętrzny W: praca wyjścia, różnica energii między poziomem próżni a poziomem Fermiego, χ: powinowadztwo elektronowe, różnica energii między dnem pasma przewodzenia a poziomem próżni, metalpółprzewodnik W (Cs) = 2 eV Eg+X = 1.4 eV dla NaKCsSb fotokatoda S20

5 5 optoelectronics Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny FotokomórkaFotopowielacz h kanalikowy wzmacniacz obrazu średnica kapilar ok. 10 m

6 6 optoelectronics Fotopowielacze np C firma Burle katoda GaAs 11 dynod z GaP/BeO zakres widmowy nm U (AK) max = 2200 V t = 20 ns wzmocnienie ok zastosowania; spektroskopia, astronomia, detektory scyntylacyjne

7 7 optoelectronics Efekt fotoelektryczny wewnętrzny Generacja par elektron dziura w obszarze materiału fotoprzewodnictwo. Pole elektryczne zewnętrzne bądź wewnętrzne transport nośników prąd elektryczny. generacja (fotony - elektrony) transport(ruch nośników w polu elektrycznym) wzmocnienie(wewnętrzne ?)

8 8 optoelectronics Właściwości - wydajność kwantowa η = część par e-h które uniknęły rekombinacji i uczestniczą w prądzie

9 9 Fotoprąd wynikający z absorpcji światła: Fotoprąd wynikający z absorpcji światła: Sprawność kwantowa: Sprawność kwantowa: Funkcja odpowiedzi: Funkcja odpowiedzi: optoelectronics Funkcja odpowiedzi fotodetektora (Responsivity R)

10 10 optoelectronics Funkcja odpowiedzi fotodetektora (Responsivity R) R wiąże prąd elektryczny w urządzeniu z mocą optyczną Wzmocnienie G = q/e

11 11 optoelectronics Funkcja odpowiedzi fotodetektora (Responsivity R)

12 12 optoelectronics

13 13 Czas odpowiedzi - prędkość działania generacja pary e-h w punkcie x ośrodka półprzewodnikowego prędkości Ve Vh Ve > Vh W obecności pola elektrycznego E, ładunek dryfuje ze średnią prędkością V = E gdzie - ruchliwość J = Egdzie = to przewodność czyli: i e = -(-e)V e /W oraz i e = -e(-V h )/W stała RC: f max = 1/2 Rc

14 14 optoelectronics Fotorezystor - czas rekombinacji nośników nadmiarowych e = W/V e - czas przelotu elektronu np.W=1 mm, V e =10 7 cm/s, e =10 -8 s, = s

15 15 optoelectronics Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo 1. obszar ładunku przestrzennego, wolny od swobodnych nośników silne pole i usuwanie nośników 2. obszar dyfuzji, nośniki mogą ruchem dyfuzyjnym znaleźć się w obszarze 1 i ulec transportowi 3. obszar dryfu, brak pola elektrycznego, ruch przypadkowy i anihilacja na drodze rekombinacji

16 16 Czas odpowiedzi fotodetektora zależy od trzech czynników: Czas odpowiedzi fotodetektora zależy od trzech czynników: 1- The transit time of the photocarriers in the depletion region. The transit time depends on the carrier drift velocity and the depletion layer width w, and is given by: 1- The transit time of the photocarriers in the depletion region. The transit time depends on the carrier drift velocity and the depletion layer width w, and is given by: 2- Diffusion time of photocarriers outside depletion region. 2- Diffusion time of photocarriers outside depletion region. 3- RC time constant of the circuit. The circuit after the photodetector acts like RC low pass filter with a passband given by: 3- RC time constant of the circuit. The circuit after the photodetector acts like RC low pass filter with a passband given by: optoelectronics Czas odpowiedzi - prędkość działania

17 17 optoelectronics Czas odpowiedzi - prędkość działania Typowa charakterystyka odpowiedzi czasowej fotodiody

18 18 optoelectronics fotodioda p-n, przykładowa konstrukcja

19 19 optoelectronics fotodioda p-n Charakterystyka fotodiody spolaryzowanej zaporowo i p - fotoprąd i s - prąd ciemny Praca w rozwarciu ogniwa słoneczne odpowiedź R w V/W, a nie A/W

20 20 optoelectronics fotodioda p-n praca w zwarciu - źródło prądowe

21 21 optoelectronics fotodioda p-n silna polaryzacja zaporowa: silne pole elektryczne - szybszy transport - krótszy czas przelotu większa szerokość warstwy zubożonej - mniejsza pojemność złącza - mniejsza stała RC większy obszar światłoczuły

22 22 optoelectronics fotodioda p-i-n złącze pn z wewnętrznym, pośrednim obszarem słabo domieszkowanym, zalety: poszerzenie obszaru ładunku przestrzennego - zwiększenie obszaru fotoczułego poszerzenie obszaru ładunku przestrzennego - mniejsze RC zmniejszenie stosunku: drogi dyfuzji/drogi dryftu zwiększa prędkość fotodiody krzemowe; czasy odpowiedzi ok. 10 ps pasmo ok. 50 GHz

23 23 w optoelectronics fotodioda p-i-n Silne poleelektryczne obecne w warstwie zubożonej powoduje rozseparowanie foto-generowanych nośników. Powstaje prąd. Prąd płynie w obwodzie zewnętrznym - fotoprąd.

24 24 optoelectronics fotodioda p-i-n

25 25 Fotoprąd optoelectronics fotodioda p-i-n Zaabsorbowana moc optyczna P(x) w warstwie zubożonej może być zapisana w zależności od padającej mocy optycznej Biorąc pod uwagę odbicie od powierzchni, moc zaabsorbowana na szerokości warstwy zubożonej wynosi

26 26 optoelectronics fotodiody p-i-n

27 27 optoelectronics fotodiody z barierą Schottkiego, heterozłącze metal-półprzewodnik typ n h >w-x w-x to bariera Scottkiego na granicy metal-półprzewodnik tworzy się warstwa dipolowa ładunku powierzchniowego wtedy warstwa zubożona wąska i blisko powierzchni, ograniczenie rekombinacji powierzchniowej odp - ps, pasmo do 100 GHz Au/nSi PtSi/pSi

28 28 optoelectronics matryce fotodiod z barierą Schottkiego

29 29 optoelectronics Fotodioda lawinowa - jonizacja zderzeniowa Avalanche Photo Diode APD Działa przetwarzając każdy detekowany foton na kaskadę par nośników. Tak więc nawet słaby strumień światła wytwarza prąd dostatecznie silny by go zarejestrowały urządzenia elektroniczne. Silna polaryzacja zaporowa złącza silne pole w obszarze złącza szybki ruch nośników duża energia nośników jonizacja zderzeniowa

30 30 optoelectronics Fotodioda lawinowa - jonizacja zderzeniowa współczynniki jonizacji e i h średnia odległość między zderzeniami 1/ e i 1/ h i rośnie ze wzrostem pola i maleje ze wzrostem temperatury (rośnie prawdopodobieństwo zderzeń) stosunek jonizacji k = h / e, k<<1 bo ruchliwość elektronów większa dlatego proces lawinowy posuwa się od strony p do n Wzmocnienie zał: tylko jeden typ nośników (e-) umożliwia powielanie h =0 k=0 Je(x) - gęstość prądu elektronowego w punkcie x

31 31 optoelectronics Jeśli k 0 to wzmocnienie G Wzmocnienie i funkcja odpowiedzi R Wzrost wzmocnienie w funkcji grubości obszaru powielania dla różnych wartości k

32 32 optoelectronics absorpcja w obszarze dryf do obszaru o silnym polu powielanie lawinowe w złączu p-n+ Fotodioda lawinowa - konstrukcje geometrie zwiększające absorpcję światła tak jak np. p-i-n obszar powielania nośników musi być wąski aby praca była stabilna przeciwstawne wymagania oddzielić obszar absorpcji i powielania

33 33 optoelectronics oddzielony obszar absorpcji i powielania SAM - Separate Absorption - Multiplication

34 34 optoelectronics oddzielony obszar absorpcji i powielania struktura kwantowa bez polaryzacjisilna polaryzacja zaporowa

35 35 optoelectronics Szum fotonowy – przypadkowe przybycie fotonów, statystyczny charakter światła Szum fotoelektronowy – sprawność kwantowa η <1, przetwarzanie foton-elektron Szum wzmocnieniowy – przypadkowość procesu wzmacniania Szum obwodu odbiornika Stosunek sygnału do szumu - Signal-to-noise ratio (SNR) Najmniejszy detekowalny sygnał – średni sygnał skutkujący SNR = 1 czułość odbiornika – sygnał odpowiadający SNR 0, np., Szum fotodetektorów

36 36 optoelectronics Szum fotonowy fluktuacje liczby fotonów zgodnie z prawami statystycznymi wartość średnia n = T = P/h T - czas obserwacji z rozkładu Poissona wynika, że: co oznacza, że fluktuacje związane ze średnią liczbą fotonów n = T =100 wynoszą 10, czyli mamy 100 +/- 10 Można zdefiniować a najmniejsza detekowana liczba fotonów wynosi n = 1

37 37 optoelectronics Przykład: aby detekować jeden foton, w czasie obserwacji T = 1 s, na długości fali = 1.24 m najmniejsza detekowana moc wynosi 0.16 pW sygnał wejściowy sygnał wejściowy

38 38 optoelectronics Szum fotoprądu Fotony Fotoelektrony Impulsy prądowe Prąd elektryczny

39 39 optoelectronics Fotoelektrony Przypadkowo wzmocnione fotoelektrony Prąd elektryczny Szum wzmocnieniowy

40 40 optoelectronics Stosunek sygnału do szumu - Signal-to-noise ratio (SNR) Porównanie fotodiody lawinowej APD i zwykłej strumień fotonów


Pobierz ppt "1 optoelectronics Podstawy Fotoniki Fotodetektory."

Podobne prezentacje


Reklamy Google