Unter der Haube des Lichtdetektors
Lichtdetektoren - Einführung und Zweck (Bild von OSRAM)
Elektromagnetische Strahlung
Detektoren von elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich von ultraviolett bis weitInfrarot werden Lichtdetektoren genannt. Aus Sicht eines Sensordesigners kann die Absorption von Photonen durch ein Sensormaterial entweder zu einer Quanten- oder thermischen Reaktion führen.
Daher alles Licht Detektoren sind in zwei Hauptgruppen unterteilt, die aufgerufen werden Quantum und Thermal-. Die Quantendetektoren arbeiten von derultraviolette bis mittlere Infrarot-Spektralbereiche, wohingegen thermische Detektoren im mittleren und fernen Infrarot-Spektralbereich am nützlichsten sind, wenn ihre Effizienz bei Raumtemperatur die der Quantendetektoren übersteigt.
Festkörperquantendetektoren (Photovoltaik undphotoleitende Bauelemente) beruhen auf der Wechselwirkung einzelner Photonen mit einem kristallinen Gitter aus Halbleitermaterialien. Ihre Operationen basieren auf dem Fotoeffekt, der von entdeckt wurde A. Einsteinund brachte ihm den Nobelpreis.
Im Jahre 1905 machte er eine bemerkenswerte Annahme über die Natur des Lichts: zumindest unter bestimmten Umständen konzentrierte sich seine Energie in lokalisierten Bündeln, später Photonen genannt.
E = h,
wobei v die Lichtfrequenz ist und h = 6,626075 × 10-34 Js (oder 4,13567 × 10-15 eVs) ist Planck's Konstante abgeleitet auf der Grundlage der Wellentheorie des Lichts.
Wenn ein Photon auf die Oberfläche eines Leiters auftrifft, kann dies zur Erzeugung eines freien Elektrons führen. Teil (φ) der Photonenenergie E wird verwendet, um das Elektron von der Oberfläche zu lösen; der andere Teil gibt dem Elektron seine kinetische Energie.
Photoelektrischer Effekt
Der photoelektrische Effekt kann beschrieben werden als:
hυ = φ + Km
Abbildung 1 - Photoeffekt in einem Halbleiter für energiereiche (A) und niederenergetische (B) Photonen.
woher φ nennt man die Austrittsarbeitsfunktion und Km ist die maximale kinetische Energie des Elektrons bei seinem Austritt aus der Oberfläche. Ähnliche Prozesse treten bei einem Halbleiter auf p-n Verbindung ist Strahlungsenergie ausgesetzt:
Das periodische Gitter von kristallinen Materialienlegt zulässige Energiebänder für Elektronen fest, die in diesem Festkörper existieren. Die Energie jedes Elektrons im reinen Material muss auf eines dieser Energiebänder beschränkt sein, das durch Lücken oder Bereiche verbotener Energien getrennt sein kann.
Wenn Licht einer geeigneten Wellenlänge [ausreichend istHohe Energie von Photonen trifft auf einen Halbleiterkristall, die Konzentration der Ladungsträger (Elektronen und Löcher) im Kristall nimmt zu, was sich in der erhöhten Leitfähigkeit eines Kristalls äußert:
σ = e (µe n + µh p)
woher e ist die Elektronenladung, µe ist die Elektronenmobilität, µh ist das Loch Mobilität und n und p sind die jeweiligen Konzentrationen von Elektronen und Löchern.
1A zeigt Energiebänder von a Halbleiter Material, wobei Eg der Betrag in Elektronenvolt (eV) der verbotenen Bandlücke ist.
Das untere Band wird als Valenzband bezeichnetentspricht den Elektronen, die an bestimmte Gitterplätze im Kristall gebunden sind. Im Falle von Silizium oder Germanium sind sie Teile der kovalenten Bindung, die die interatomaren Kräfte im Kristall ausmachen. Die nächst höher liegende Band wird als Leitungsband bezeichnet und repräsentiert Elektronen, die sich frei durch den Kristall bewegen können. Elektronen in diesem Band tragen zur elektrischen Leitfähigkeit des Materials bei.
Die beiden Bänder sind durch die Bandlücke getrennt, deren Größe bestimmt, ob das Material als Halbleiter oder Isolator klassifiziert wird.
Die Anzahl der Elektronen im Kristall beträgtgerade ausreichend, um alle verfügbaren Standorte innerhalb des Valenzbandes vollständig zu füllen. Ohne thermische Erregung hätten Isolatoren und Halbleiter daher eine Konfiguration, bei der das Valenzband vollständig gefüllt und das Leitungsband vollständig leer ist. Unter diesen vorstellbaren Umständen würde keiner theoretisch eine elektrische Leitfähigkeit zeigen.
Metalle sind daher immer durch a gekennzeichnetsehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Andererseits muss das Elektron in Isolatoren oder Halbleitern zuerst die Energiebandlücke durchqueren, um das Leitungsband zu erreichen, und die Leitfähigkeit ist daher um viele Größenordnungen niedriger.
Tabelle 1: Bandlücken und längste Wellenlängen für verschiedene Halbleiter
| Material | Bandlücke (eV) | Längste Wellenlänge (µm) |
| ZnS | 3.6 | 0.345 |
| CdS | 2.41 | 0.52 |
| CdSe | 1.8 | 0.69 |
| CdTe | 1.5 | 0.83 |
| Si | 1.12 | 1.10 |
| Ge | 0.67 | 1.85 |
| PbS | 0.37 | 3.35 |
| InAs | 0.35 | 3.54 |
| Te | 0.33 | 3.75 |
| PbTe | 0.30 | 4.13 |
| PbSe | 0.27 | 4.58 |
| InSb | 0.18 | 6.90 |
Bei Isolatoren beträgt die Bandlücke normalerweise 5 eV oder mehr, während bei Halbleitern die Lücke wesentlich geringer ist (Tabelle 1). Beachten Sie, dass je länger die Wellenlänge (niedrigere Frequenz eines Photons) ist, desto weniger Energie ist erforderlich, um einen Photoeffekt zu erzeugen.
Wenn das Photon der Frequenz υ1 trifft den Kristall, ist seine Energie hoch genugTrennen Sie das Elektron von seinem Ort im Valenzband und schieben Sie es durch die Bandlücke in ein Leitungsband mit einem höheren Energieniveau. In diesem Bereich kann das Elektron frei als Stromträger dienen. Der Mangel eines Elektrons im Valenzband erzeugt ein Loch, das auch als Stromträger dient.
Dies äußert sich in der Verringerung des spezifischen Widerstands des Materials. Auf der anderen Seite, 1B zeigt, dass ein Photon mit niedrigerer Frequenz υ2 hat nicht genug Energie, um das zu drückenElektron durch die Bandlücke. Die Energie wird freigesetzt, ohne Stromträger zu erzeugen. Die Energielücke dient als Schwelle, unter der das Material nicht lichtempfindlich ist.
Die Schwelle ist jedoch nicht abrupt. Während des gesamten Photonenanregungsprozesses gilt das Impulserhaltungsgesetz.
Der Impuls und die Dichte von Lochelektronenstellensind im Zentrum der Valenz- und Leitungsbänder höher und fallen am oberen und unteren Ende der Bänder auf Null. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein angeregtes Valenzbandelektron eine Stelle mit gleichem Impuls im Leitungsband findet, in der Mitte der Bänder größer und am niedrigsten an den Enden der Bänder. Daher steigt die Reaktion eines Materials auf Photonenenergie ab EG allmählich auf ihr Maximum und fällt dann bei der Energie, die der Differenz zwischen dem unteren Ende des Valenzbandes und dem oberen Ende des Leitungsbandes entspricht, auf null zurück.
Eine typische spektrale Antwort eines halbleitenden Materials ist in gezeigt Figur 2.
Abbildung 2 - Spektrale Antwort einer Infrarot-Fotodiode
Die Lichtantwort eines Schüttgutes kann seinverändert durch Zugabe verschiedener Verunreinigungen. Sie können verwendet werden, um eine spektrale Antwort des Materials umzuformen und zu verschieben. Alle Bauelemente, die Photonen elektromagnetischer Strahlung direkt in Ladungsträger umwandeln, werden als Quantendetektoren bezeichnet und im Allgemeinen in Form von Fotodioden, Fototransistoren und Fotowiderständen hergestellt.
Beim Vergleich der Eigenschaften verschiedener Fotodetektoren sollten normalerweise die folgenden Spezifikationen berücksichtigt werden:
NEP (rauschäquivalente Leistung) ist die Lichtmenge, die dem Eigenrauschen des Detektors entspricht. Anders ausgedrückt ist dies der Lichtpegel, der erforderlich ist, um ein Signal-Rausch-Verhältnis gleich Eins zu erhalten.
Da der Rauschpegel proportional zur Quadratwurzel der Bandbreite ist, wird der NEP in Einheiten von W / √Hz ausgedrückt:
D * bezieht sich auf die Detektivität des empfindlichen Bereichs eines Detektors von 1 cm2 und eine Rauschbandbreite von 1 Hz:
Detektivität ist ein weiterer Weg, um das zu messenSignal-Rausch-Verhältnis des Sensors. Die Detektierbarkeit ist für den Betriebsfrequenzbereich nicht gleichmäßig über den Spektralbereich. Daher müssen auch die Zerhackungsfrequenz und der spektrale Inhalt angegeben werden. Die Detektivität wird in Einheiten von cm √Hz / W ausgedrückt.
IR-Grenzwellenlänge (λc) stellt die langwellige Grenze der spektralen Antwort dar und wird oft als die Wellenlänge aufgelistet, bei der die Detektivität abfällt
10% des Spitzenwertes.
Maximaler Strom ist für photoleitende Detektoren (wie HgCdTe) spezifiziert, die bei konstanten Strömen arbeiten. Der Betriebsstrom sollte niemals die maximale Grenze überschreiten.
Maximale Sperrspannung ist für Ge- und Si-Photodioden und photokonduktive Zellen spezifiziert. Ein Überschreiten dieser Spannung kann zum Ausfall und zu einer erheblichen Verschlechterung der Sensorleistung führen.
Die Strahlungsempfindlichkeit ist das Verhältnis des Ausgangs-Photostroms (oder der Ausgangsspannung) geteilt durch die einfallende Strahlungsleistung bei einer gegebenen Wellenlänge, ausgedrückt in A / W oder V / W.
Sichtfeld (FOV) ist das Winkelmaß des Raumvolumens, in dem der Sensor auf die Strahlungsquelle reagieren kann.
Verbindungskapazität (Cj) ist ähnlich der Kapazität eines Parallelplattenkondensators. Es sollte immer dann in Betracht gezogen werden, wenn eine schnelle Reaktion erforderlich ist. Der Wert von Cj fällt mit umgekehrter Vorspannung ab und ist bei größeren Diodenflächen höher.