빛 탐지기의 두포 아래
빛 감지기 - 소개 및 목적 (오스람 그림)
전자기 방사선
감지기 전자기 방사선 자외선에서 멀리까지의 스펙트럼 범위적외선을 광 검출기라고합니다. 센서 설계자의 관점에서, 감지 재료에 의한 광자의 흡수는 양자 또는 열 응답으로 나타날 수있다.
따라서 모든 빛 탐지기는 두 개의 주요 그룹으로 나뉘어집니다. 양자 과 열의. 양자 검출기는자외선에서 중간 적외선 스펙트럼 범위에 이르는 반면, 열 감지기는 실온에서의 효율이 양자 검출기의 효율을 초과하는 중거리 및 원적외선 스펙트럼 범위에서 가장 유용합니다.
고체 상태 양자 검출기 (광전지 및광전도 소자)는 개별 광자와 반도체 재료의 결정 격자의 상호 작용에 의존한다. 그들의 작업은 다음에 의해 발견 된 광 효과를 기반으로합니다. A. 아인슈타인노벨상을 가져왔다.
1905 년에, 그는에 관하여 현저한 가정을했다. 빛의 본질: 최소한 특정 상황에서는 그 에너지가 나중에 광자라고 불리는 국지화 된 번들로 집중되었다.
E = hυ,
여기서 v는 빛의 주파수이고 h = 6.626075 × 10-34 Js (또는 4.13567 × 10-15 eVs)입니다. 플랑크의 상수 빛의 파동 이론에 기초하여 파생되었다.
광자가 도체의 표면에 닿으면 자유 전자가 생성 될 수 있습니다. 파트 (φ)의 광자 에너지 이자형 표면에서 전자를 분리하는 데 사용됩니다. 다른 부분은 그 운동 에너지를 전자에 준다.
광전 효과
광전 효과는 다음과 같이 설명 할 수 있습니다.
hυ = φ + K엠
그림 1 - 고 에너지 (A) 및 저 에너지 (B) 광자에 대한 반도체 광 효과.
어디에 φ 방출면의 일 함수라고하며, 케이엠 표면에서 빠져 나올 때 전자의 최대 운동 에너지이다. 유사한 공정이 반도체 pn 접합부는 복사 에너지를 받는다 :
결정 성 물질의주기적인 격자그 고체 내에 존재하는 전자에 허용 된 에너지 밴드를 확립한다. 순수한 물질 내의 모든 전자의 에너지는 금지 된 에너지의 갭 또는 범위에 의해 분리 될 수있는 이러한 에너지 밴드 중 하나로 제한되어야합니다.
적당한 파장의 빛 [충분히높은 광자 에너지가 반도체 결정에 충돌하면 결정의 전하 캐리어 (전자와 정공)의 농도가 증가하여 결정의 전도도가 증가합니다.
σ = e (μ이자형 n + μh 피)
어디에 이자형 전자 전하, μ이자형 전자 이동도, μh 홀 이동도이고 엔 과 피 는 전자와 정공의 각각의 농도이다.
도 1A 의 에너지 밴드를 보여줍니다. 반도체 여기에서, Eg는 금지 된 밴드 갭의 전자 볼트 (eV)의 크기이다.
낮은 밴드는 원자가 밴드라고 불리며,결정 내의 특정 격자 위치에 결합 된 전자에 해당한다. 실리콘 또는 게르마늄의 경우, 이들은 결정 내에서 원자간 세력을 구성하는 공유 결합의 일부분이다. 그 다음으로 높은 밴드는 전도대 (conduction band)라고 불리며 결정을 통해 자유롭게 이동하는 전자를 나타낸다. 이 밴드의 전자는 재료의 전기 전도성에 기여합니다.
2 개의 밴드는 밴드 갭에 의해 분리되며,이 밴드 갭의 크기는 반도체 또는 아이솔레이터로 분류되는지 여부를 결정합니다.
결정 내의 전자 수는원자가 밴드 내의 모든 이용 가능한 사이트를 완전히 채우기에 적당합니다. 열적 여기가 없다면 절연체와 반도체는 모두 원자가 밴드가 완전히 채워지고 전도 밴드가 완전히 비어있는 구성을 갖게됩니다. 이러한 상상할 수있는 상황에서 이론적으로 어떤 전기 전도도도 보이지 않습니다.
따라서 금속은 항상매우 높은 전기 전도도. 반면에 아이솔레이터 또는 반도체에서는 전자가 먼저 전도 밴드에 도달하기 위해 에너지 밴드 갭을 지나야하므로 전도도가 훨씬 낮아진다.
표 1 : 다양한 반도체에 대한 밴드 갭과 가장 긴 파장
| 자료 | 밴드 갭 (eV) | 가장 긴 파장 (μm) |
| ZnS | 3.6 | 0.345 |
| CdS | 2.41 | 0.52 |
| CdSe | 1.8 | 0.69 |
| CdTe | 1.5 | 0.83 |
| 시 | 1.12 | 1.10 |
| Ge | 0.67 | 1.85 |
| PbS | 0.37 | 3.35 |
| InAs | 0.35 | 3.54 |
| 테 | 0.33 | 3.75 |
| PbTe | 0.30 | 4.13 |
| PbSe | 0.27 | 4.58 |
| InSb | 0.18 | 6.90 |
절연체의 경우 밴드 갭은 일반적으로 5eV 이상이지만 반도체의 경우 갭이 상당히 작습니다 (1 번 테이블). 파장이 길수록 (광자의 주파수가 낮을수록) 광 효과를 발생시키는 데 필요한 에너지가 적어집니다.
주파수의 광자 υ1 크리스탈을 때리면, 그 에너지는 충분히 높습니다.가전 자대 (valence band)에서 그 위치로부터 전자를 분리하고 밴드 갭을 통해 더 높은 에너지 준위에서 전도대로 밀어 넣는다. 그 대역에서, 전자는 현재의 운반체로서 자유롭게 사용될 수있다. 원자가 밴드의 전자가 결핍되면 전류 캐리어 역할을하는 구멍이 생긴다.
이것은 재료의 비저항을 감소시키는 데 나타난다. 한편, 도 1b 낮은 주파수의 광자 υ2 그 (것)들을 밀기에 충분한 에너지가 없다밴드 갭을 통과하는 전자. 현재의 통신 사업자를 만들지 않고 에너지가 방출됩니다. 에너지 갭은 물질이 광 민감하지 않은 문턱 값의 역할을한다.
그러나 임계 값은 갑작스러운 것이 아닙니다. 광자 여기 과정을 통해 운동량 보존 법칙이 적용됩니다.
홀 전자 위치의 운동량과 밀도는 원자가와 전도대의 중심에서 더 높고 밴드의 상단과 하단에서 0으로 떨어진다. 따라서 전도대에서 운동량이 비슷한 위치를 찾는 흥분성 원자가 전자의 확률은 밴드의 중심에서 더 크고 밴드의 끝에서 가장 낮습니다. 그러므로 광자 에너지에 대한 물질의 반응은 이자형지 점차적으로 최대 값까지 증가한 다음, 가전 자대의 바닥과 전도대의 상단 사이의 차이에 해당하는 에너지에서 0으로 떨어진다.
반도 전성 물질의 전형적인 스펙트럼 반응은 그림 2.
그림 2 - 적외선 포토 다이오드의 스펙트럼 응답
벌크 재료의 빛 반응은다양한 불순물을 첨가함으로써 변화된다. 그것들은 재료의 스펙트럼 응답을 변형시키고 이동 시키는데 사용될 수 있습니다. 전자기 복사의 광자를 전하 캐리어로 직접 변환하는 모든 장치를 양자 검출기라고하며 일반적으로 광 다이오드, 광 트랜지스터 및 광 소자 저항의 형태로 생산됩니다.
서로 다른 광 검출기의 특성을 비교할 때 다음 사양을 고려해야합니다.
NEP (잡음 등가 전력) 는 검출기의 고유 잡음 레벨과 동일한 광량입니다. 다르게 표현하면, 신호 대 잡음비가 1과 같아지는 데 필요한 광 레벨입니다.
잡음 레벨은 대역폭의 제곱근에 비례하기 때문에 NEP는 W / √Hz 단위로 표현됩니다.
디* 감지기의 민감한 영역 1 cm의 검출 능력을 지칭한다2 1Hz의 잡음 대역폭 :
탐지력은 측정하는 또 다른 방법입니다.센서의 신호 대 잡음비. 탐지 주파수는 작동 주파수에 대한 스펙트럼 범위에서 일정하지 않습니다. 따라서 쵸핑 주파수 및 스펙트럼 내용도 지정해야합니다. 검출력은 cm √Hz / W 단위로 표시됩니다.
IR 컷오프 파장 (λc) 스펙트럼 응답의 장파장 한도를 나타내며, 종종 검출 성이
최고치의 10 %.
최대 전류 정전류로 작동하는 광전도 검출기 (예 : HgCdTe)에 지정됩니다. 작동 전류는 최대 한계를 초과하지 않아야합니다.
최대 역 전압 Ge 및 Si 광 다이오드 및 광전도 셀에 대해 지정됩니다. 이 전압을 초과하면 고장을 일으켜 센서 성능이 심각하게 저하 될 수 있습니다.
방사 응답 성은 출력 광전류 (또는 출력 전압)를 주어진 파장에서 입사 복사 전력으로 나눈 비율을 A / W 또는 V / W로 표현한 것입니다.
시야 (FOV) 센서가 방사선 소스에 반응 할 수있는 공간 부피의 각 측정 값입니다.
접합 커패시턴스 (기음j) 평행 판 커패시터의 커패시턴스와 유사하다. 고속 응답이 필요할 때마다 고려해야합니다. 의 가치 기음j 역 바이어스로 강하하며 더 큰 다이오드 영역에서 더 높다.