Optoelectronics Podstawy Fotoniki Fotodetektory.

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

1 optoelectronics Podstawy Fotoniki Fotodetektory

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

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

5 Detektory wykorzystujące efekt fotoelektryczny zewnętrzny
optoelectronics Fotokomórka Fotopowielacz średnica kapilar ok. 10 mm hn kanalikowy wzmacniacz obrazu

6 Fotopowielacze np C 31034 firma Burle katoda GaAs 11 dynod z GaP/BeO
optoelectronics np C 31034 firma Burle katoda GaAs 11 dynod z GaP/BeO zakres widmowy nm U (AK) max = 2200 V t = 20 ns wzmocnienie ok. 106 zastosowania; spektroskopia, astronomia, detektory scyntylacyjne

7 Efekt fotoelektryczny wewnętrzny
optoelectronics 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 Właściwości - wydajność kwantowa η
optoelectronics  = część par e-h które uniknęły rekombinacji i uczestniczą w prądzie

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

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

11 a = a(l) Funkcja odpowiedzi fotodetektora (Responsivity R)
optoelectronics a = a(l)

12 optoelectronics

13 Czas odpowiedzi - prędkość działania
optoelectronics 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 = mE gdzie m - ruchliwość J = E gdzie  = mr to przewodność czyli: ie = -(-e)Ve/W oraz ie = -e(-Vh)/W stała RC: fmax = 1/2pRc

14 Fotorezystor t - czas rekombinacji nośników nadmiarowych
optoelectronics t - czas rekombinacji nośników nadmiarowych te = W/Ve - czas przelotu elektronu np. W=1 mm, Ve=107 cm/s, te=10-8 s, t= s

15 Fotodioda złącze p-n spolaryzowane zaporowo
optoelectronics 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 Czas odpowiedzi - prędkość działania
optoelectronics 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: 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:

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

18 fotodioda p-n, przykładowa konstrukcja
optoelectronics fotodioda p-n, przykładowa konstrukcja

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

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

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

24 optoelectronics fotodioda p-i-n

25 fotodioda p-i-n Fotoprąd
optoelectronics fotodioda p-i-n Fotoprąd 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 optoelectronics fotodiody p-i-n

27 hn>w-x fotodiody z barierą Schottkiego,
heterozłącze metal-półprzewodnik optoelectronics typ n Au/nSi PtSi/pSi hn>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 todp - ps, pasmo do 100 GHz

28 matryce fotodiod z barierą Schottkiego
optoelectronics matryce fotodiod z barierą Schottkiego

29 Fotodioda lawinowa - jonizacja zderzeniowa Avalanche Photo Diode APD
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 Fotodioda lawinowa - jonizacja zderzeniowa
optoelectronics Fotodioda lawinowa - jonizacja zderzeniowa współczynniki jonizacji ae i ah średnia odległość między zderzeniami 1/ae i 1/ah ai rośnie ze wzrostem pola ai maleje ze wzrostem temperatury (rośnie prawdopodobieństwo zderzeń) stosunek jonizacji k = ah/ae, 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 ah=0  k=0 Je(x) - gęstość prądu elektronowego w punkcie x

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

32 Fotodioda lawinowa - konstrukcje
optoelectronics 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 absorpcja w obszarze p dryf do obszaru o silnym polu powielanie lawinowe w złączu p-n+

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

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

35 Szum fotodetektorów • Szum fotonowy
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 SNR0, np.,

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

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

38 Szum fotoprądu Fotony Fotoelektrony Impulsy prądowe Prąd elektryczny
optoelectronics Szum fotoprądu Fotony Fotoelektrony Impulsy prądowe Prąd elektryczny

39 Szum wzmocnieniowy Fotoelektrony Przypadkowo wzmocnione fotoelektrony
optoelectronics Szum wzmocnieniowy Fotoelektrony Przypadkowo wzmocnione fotoelektrony Prąd elektryczny

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