Fotodetektory Fotodetektor  Zmiana sygnału optycznego na elektryczny (I, U, ΔR) Istotne są trzy etapy absorpcja optyczna i generacja nośników transport fotonośników w obszarze absorbującym (ze wzmocnieniem lub bez) wychwyt nośników i przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym Wymagania względem fotodetektorów wysoka czułość niskie szumy szerokie pasmo przenoszenia duża niezawodność niskie koszta Fotodetektory dobiera się wg. zastosowań w telekomunikacji wymagana jest zwykle duża szybkość w innych zastosowaniach może być wymagane duże wzmocnienie

WYDAJNOŚĆ KWANTOWA DETEKTORA: zewnętrzna: Ilość par e-h dających prąd Iph w stosunku do ilości padających kwantów α – współczynnik absorpcji d – grubość próbki np – ilość par e-h nf – ilość zaabsorbowanych fotonów ηext ~ 1 – e-αd wewnętrzna:

CZUŁOŚĆ DETEKTORA (RESPONSIVITY, SENSITIVITY) Y – wielkość wyjściowa (prąd, napięcie) X – wlk. wejściowa Jeżeli Y = Iph a X = Pinc to:

Tego typu zależność sugeruje liniowy przebieg S(λ), lecz dla detektorów rzeczywistych wpływ na przebieg ma zmiana współczynnika absorpcji α: Dla dużych λ  krawędź absorpcji Dla małych λ  absorpcja w warstwie powierzchniowej

FOTOREZYSTOR Symbol Fotorezystor w postaci epitaksjalnej warstwy InGaAs na wysokorezystywnym podłożu InP. Kontakty grzebieniowe (interdigital)

Grubość warstwy fotoczułej musi być: na tyle duża aby zaabsorbować padające światło mała aby rezystancja ciemna była duża (niskie szumy) Szum termiczny Johnsona jest generowany przed prąd ciemny: Δf – szerokość pasma R – rezystancja iy – prąd szumów

Fotoogniwo Stosuje się struktury złączowe typu p-n, p-i-n, heterozłącza jak również struktury wielozłączowe. Powstawanie napięcia fotowoltaicznego UOC JP = prąd świetlny nośników mniejszościowych JD = prąd diody ( dziur i elektronów pod wpływem UOC

Sprawność fotoogniwa Napięcie UOC ustala się na takiej wartości, aby: Elementy optoelektroniczne Napięcie UOC ustala się na takiej wartości, aby: I = IP - ID = 0 ( ogniwo rozwarte ) Przy obciążeniu ogniwa rezystancją R napięcie spada i otrzymuje się niezerowy prąd: UOC - napięcie rozwarcia ISC - prąd zwarcia IQ, UQ – współrz. prostokąta mocy maksymalnej Sprawność fotoogniwa gdzie FF jest miarą „prostokątności” charakterystyki

Schemat zastępczy ogniwa rzeczywistego z obciążeniem Elementy optoelektroniczne Schemat zastępczy ogniwa rzeczywistego z obciążeniem RS - wpływ kontaktów RP – wpływ rekombinacji powierzchniowej

Przykład wykonania ogniwa słonecznego Elementy optoelektroniczne Przykład wykonania ogniwa słonecznego Teksturowana powierzchnia Si uzyskana w wyniku anizotropowego trawienia kontakt metaliczny warstwa Antyrefleksyjna (SiO2, T2O5) Komercyjne ogniwo krzemowe(c-Si) w oparciu o złącze n+/p n+(0.2 µm) CNR – Comsat Non Reflecting (η = 16%, ok.. 1975r. W (0.5µm) obszar złącza p+(0.5 µm) BSF kontakt tylny (Al) Powstawanie pola BSF (Back Surface Field) Pole to odpycha dyfundujące do tylnego kontaktu elektrony i zmniejsza rekombinację powierzchniową

Podstawowe technologie ogniw i ich udział rynkowy Wydajności Elementy optoelektroniczne Podstawowe technologie ogniw i ich udział rynkowy Wydajności Si krystaliczny (mono- i polikryształy) 90% Si amorficzny 9% GaAs i inne III-V CuInSe2 i pochodne 1% CdTe Najlepsze obecnie ogniwa w oparciu o c-Si wykazują parametry η = 24% VOC = 700mV JSC = 40mA/cm2 FF = 81 % Przy oświetleniu: P = 100 mW/cm2

Elementy optoelektroniczne Fotodioda Różni się od fotoogniwa małą powierzchnią światłoczułą ( kilka mm2 ) oraz tym , że jako fotodetektor pracuje najczęściej z zewnętrzną polaryzacją w kierunku zaporowym. statyczne charakterystyki prądowo-napięciowe fotodiody dla różnych natężeń promieniowania Φ Zwarciowy prąd fotodiody można wyznaczyć z charakterystyki fotoogniwa: Dla napięcia polaryzacji ( U < 0 ) dużo większego od napięcia termicznego kT/q (25mV dla T = 300K) otrzymuje się Czułość prądowa fotodiody I ~ Φ Prąd ten nie zależy ponadto od U.

Zmiennoprądowy schemat zastępczy fotodiody Elementy optoelektroniczne Zmiennoprądowy schemat zastępczy fotodiody IP - prąd fotoelektryczny IR - prąd ciemny rP - rezystancja upływu rS - rezystancja szeregowa CP- pojemność złączowa fotodiody Częstotliwość graniczna pracy fotodiody: stąd ujemna polaryzacja zmniejszająca Cp jest korzystna. Fotodiody p-i-n o małej pojemności Cp osiągają fg ~ 1 GHz

Podstawowy układ pracy fotodiody Elementy optoelektroniczne Podstawowy układ pracy fotodiody (z polaryzacją zaporową i szeregową rezystancją) dynamika znacznie większa niż dla fotoogniwa

Ze względu na małe wartości prądu fotoelektrycznego fotodioda często Elementy optoelektroniczne Ze względu na małe wartości prądu fotoelektrycznego fotodioda często występuje w układzie wzmacniacza: Fotodioda w układzie przetwornika prąd-napięcie (wzm. transimpedancyjny) dla R1 = R2 UOUT = R1I = R1(IP+IR) Przy polaryzacji napięciem zaporowym uzyskuje się dużą dynamikę zmian sygnału oraz dużą szerokość pasma.

Elementy optoelektroniczne Fototranzystor Jeżeli obszar bazy tranzystora może być oświetlony, to uzyskuje się fototranzystor Schemat zastępczy fototranzystora Budowa fototranzystora Powstałe w bazie fotoelektrony ( nośniki mniejszościowe) dyfundują do kolektora zwiększając jego prąd. Powstałe w bazie dziury nie przejdą przez barierę potencjału złącza emiterowego i wytwarzają nieskompensowany ładunek dodatni obniżający barierę B/E. To z kolei zwiększa iniekcję elektronów z emitera do bazy, a elektrony te jako nośniki mniejszościowe osiągając złącze kolektorowe silnie zwiększają prąd kolektora. Daje to duże wzmocnienie i stąd czułość fototranzystora jest dużo większa niż fotodiody.

Fototranzystory na bazie Si są proste w budowie i o niskich kosztach wytwarzania: fg ~ kilkaset kHz Niska częstotliwość graniczna uwarunkowana dużą pojemnością złącza baza – kolektor (τ  βRLC) i dużym czasem przelotu nośników przez obszar bazy. Duże wzmocnienie jest korzystne zwłaszcza w przypadkach gdzie małe pasmo Δf nie jest istotne (zdalne sterowanie w TV).

Poprawę odpowiedzi czasowych uzyskuje się minimalizując wymiary fototranzystora: Struktura heterozłączowa n-p-n typu MESA InP o większej przerwie spełnia rolę warstwy okiennej i zasadnicze pochłanianie następuje w obszarze bazy Wprowadzenie przewodu bazy powoduje usuwanie gromadzonych tam nośników i podwyższenie częstości fg. Maleje jednak wzmocnienie

Zacisk bazy może być swobodny i wtedy fototranzystor jest nazywany Elementy optoelektroniczne Zacisk bazy może być swobodny i wtedy fototranzystor jest nazywany podwójną fotodiodą. Duże wzmocnienie prądowe Fototranzystor w układzie fotodetektora Fototranzystor w układzie Darlingtona Częstotliwość graniczna: fg ~ 30 kHz IP – prąd złącza kolektor-baza fg ~ kilkaset kHz

PORÓWNANIE DETEKTORÓW O wyborze detektora decyduje zastosowanie. Istotne są takie parametry jak: - minimalna wykrywana moc - czułość w określonym zakresie widmowym - pasmo przenoszonych częstotliwości Miarą minimalnej wykrywanej mocy jest: MOC RÓWNOWAŻNA SZUMÓW NEP (NOISE EQUIVALENT POWER) Jest to wartość skuteczna wyjściowej mocy promieniowania, której odpowiada stosunek sygnał/szum równy 1 w paśmie 1 Hz. Im większe NEP, tym mniejsza przydatność fotodetektora do detekcji małych mocy promieniowania.

detekcyjność znormalizowana D* (wykrywalność) inna miara: detekcyjność znormalizowana D* (wykrywalność) definicja: A – powierzchnia detekcyjna Δf – pasmo szumów [D*] = cm Hz1/2 W-1 Na wynik pomiaru D* nie wpływa szerokość pasma ani wielkość powierzchni fotoczułej i wielkość ta może być stosowana do porównywania detektorów o różnych powierzchniach. D* jest to stosunek sygnału do szumu na 1 W mocy promieniowania, jednostkowe pasmo częst. szumu i jedn. pow. fotoczułą.

Detekcyjność znormalizowana dla różnych fotorezystorów i fotodiod w funkcji długości fali padającego promieniowania. W nawiasach podano temperatury, przy których wyznaczono charakterystyki PD - fotodioda