Pooljuhtide baasil loodud valgusdetektorid Andres Kaalep Tphimte Optilise
Pooljuhtide baasil loodud valgusdetektorid Andres Kaalep
Tööpõhimõte Optilise kiirguse detekteerimine pooljuht-fotodetektoriga koosneb kolmest põhimõttelisest osast: Laengukandjate genereerimine detekteeritava (optilise)kiirguse poolt Laengukandjate transport ja/või kordistamine elektrivoolu tekitamiseks/suurendamiseks Fotovoolu interaktsioon välise vooluringiga väljundsignaali genereerimiseks
Põhilised tüübid Fototakisti e. fotojuht(photoconductor, photoresistor, light dependant resistor) Fotodiood(photodiode) Laviin-fotodiood(avalanche photodiode)
Fototakisti e. fotojuht Valmistatud suure takistusega pooljuhtmaterjalist Piisavalt suure energiaga (λ=hc/E) valguse footonid, neeldudes pooljuhis, annavad seotud elektronidele juhtivustsooni minekuks vajaliku energia Tekkivad elektron-auk paarid käituvad laengukandjatena ning vähendavad pooljuhi takistust Kastutatakse nii omapooljuhte(a) kui lisandpooljuhte (b)(c)
Fototakisti skeem Fototakisti
Fototakistist Omavad väga suurt takistuse erinevust olenevalt valgustatusest heledas valguses <100Ω, seevastu pimedas >10 MΩ Võimelised detekteerima laia kiirgusspektrit Reaktsioonikiirused on väiksed, jäädes 1 Hz suurusjärku Kasutusaladeks on kaamerate ja fotoaparaatide valgusandurid, kellraadiod, turvasüsteemid, tänavavalgustus, õues olevad kellad, infrapunaastronoomia ja -spektroskoopia. On kasutatud isegi soojatundlike raketisüsteemide juhtmehhanismides
Fototakisti lülitis Tüüpilise Ameerika tänavavalgusti automaatlüliti Paremal nähtav fototakisti (Cd. S) kontrollib küttekeha läbivat voolu Öösel küttekeha jahtub, sulgedes tänavavalgusti vooluringi
Fotodiood P-N või PIN tüüpi pooljuht Võimeline muutma valgust nii pingeks kui vooluks vastavalt režiimile Kui piisava energiaga footon neelatakse dioodis, tekitab see ergastatud elektroni ja augu, mis liiguvad sisemise pinge mõjul vastavalt katoodile ning anoodile tekitades fotovoolu
Photovoltaic mode Fotodioodile pinget ei rakendata Fotovoolu väljumine dioodist on piiratud ning sellest lähtuvat pinget dioodil on lihtne mõõta Sellel põhimõttel töötavad päikesepatareid Pinge sõltuvus valguse intensiivsusest on mittelineaarne ning dünaamiline ulatus väike Maksimaalne reaktsioonikiirus pole saavutatud
Photoconductive mode Dioodile rakendatakse tavaliselt vastupinge Mõõdetakse fotovoolu Fotovoolu sõltuvus valgusintensiivsusest on väga lineaarne väga laias võimsuste vahemikus (n. W~m. W) Vastupinge avaldab fotovoolule vaid minimaalset mõju Vastupinge rakendamine suurendab tühjendustsooni laiust, vähendades sellega mahtuvust – veelgi suuremad reaktsioonikiirused
Fotodioodist Kuna fotodioodid on fototakistitest tavaliselt lineaarsemad, kasutatakse neid valgusintensiivsuse täpseteks mõõtmiseks nii teaduses kui tööstuses Igapäevaselt leiame fotodioode CD, DVD, Blu-Ray mängijates, suitsuandurites, kaugjuhtimispultide vastuvõtjates Meditsiinis kompuutertomograafias(koos stsintillatsioonikristallidega), immunoanalüüsis, veregaaside monitorides
Fotodioodi skeem Fotodiood
Laviin-fotodiood Võib vaadata kui fotokordisti pooljuhtanaloogi Kui piisava energiaga footon neelatakse dioodis, tekitab see ergastatud elektroni ja augu, mis liiguvad sisemise pinge mõjul vastavalt katoodile ning anoodile Erinevalt tavalisest fotodioodist eksisteerib siin nn. laviinitsoon kus eelpinge mõjul elektronid kiirenevad, ning põrgetel genereerivad uusi elektron-auk paare
Laviin-fotodioodist Tavaliselt on mõjuv võimendus ~100 kordne Piiranguks liiga suure vastupinge rakendamisel tekkiv läbilöök Geigeri režiimis võib saavutada võimenduse 105 – 106 korda Kasutatakse laser-kaugusemõõtjates, fiiberoptilises telekommunikatsioonis Uuteks suundadeks positron-emissioon tomograafia ning osakestefüüsika
Laviin-fotodioodi skeem Laviin-fotodiood
Tänan tähelepanu eest!
- Slides: 16