מבוא לאלקטרו-אופטיקה

(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק

גלאים 1

מבוא לאלקטרו-אופטיקה: פיסיקה של גלאים10פרק

פרקים ראשיD* and RD - 1

2 - יחידות - גלאים של ספקטרלית הענות

סיבות - 4

D * – משותפות תכונות קוונטיים גלאים של -


גלאים 2

הענות ספקטרלית של גלאים - יחידות

תרמי גלאי

RD

[V/W]

RD

[A/W]

גלאי קוונטימעשי

cut


גלאים 3

RD [V/0C] מערכות עבורתרמית להדמיה

של צר בתחום כי• T - ו •

TCdT

)Wd(linear

λ,

W () = [W(TBB) - W(RT)]

הקירון הפרש

- ש הנח ;RT = 20 0C; = 1 m ; 4 m

הבאות בטמפרטורות החדר טמפרטורת לעומת הקירון הפרש את חשבT = 15 0C

T = 18 0CT = 25 0CT = 30 0C


גלאים 4

D * – משותפות תכונות קוונטיים גלאים Hudson, p. 294של

1 - cut 2 - min

שיפוע - 5דומה חיובי

D*maxעד

-D*

max

4 – D*max

שיפוע - 6חד שלילי

D*maxמ-


גלאים 5

cut(D* max)

n

D1/2

d

VRfA

D*)(

מבנה יש קוונטים הגלאים כל של *D לפונקציה הגל באורך כתלות דומה

D-star

D*

[m Hz1/2W-1]

min> 0.0 m

שיפועמ חיובי

תון שיפועח שלילי

זק


גלאים 6

- RD -ל ל דומה התנהגות *Dיש

n

D1/2

d

VR fA

D*)(

D* RD

D* and RD

באותו בוצעו שהמדידות נניח fהרעש השטח של הגלאי

בין ישיר קשר שקיים D* and RD-נראה

מובנות יותר היחידות


גלאים 7

Si בגלאי לדוגמה RDנעבוד במישור של

RD

[V/w]

RD

[A/W]

RD, max(Si) = 0.5 A/W קוונטי גלאי

מעשי

cut(Si) = 1.1 m

(RD max,Si)= 0.85 m

1 2

3

4

5 6

משו התכונות ששתהגלאים לכל תפותהקוונטים פוטואלקטרי אפקטוחיצוני פנימי


גלאים 8

RD() =f(Eg)·f(<min)·f(Eph)·f(R)·f(BL)

f(e+h) - ב רק על, * Dנכון משפיע לאRD()

Recombination

6

המשותפות לתכונות סיבות

f(Eg) Eg cut 1

f(<min) , קצרים גל באורכי בליעה - חיצוני פוטואלקטרי אפקט

2

f(Eph( - ב פוטון של Wattאנרגיה 3

f(R) החזרה גורם 4

f(BL) הבליעה גורם 5


גלאים 9

+ -A

עי " 1סיבה נקבע לבליעה גל באורך עליון גבולEg

ערכיות

-eהולכה

h+

hEg

hc/cut = Eg

h = Eg

h Eg

בעל פוטון אנרגיה

קטנהEg -מ

שקוף מעבר f(Eg) = 0 > cut

f(Eg)


גלאים 10

(הטכניקה הנפוצה ביותר) גילוי בצמתים

p

+ + + + + + + +

Depletion Layer

e- e- e- e- e- e- e-

n

Eg

Valence Band

Conductance BandV

d

צומת

הפוטון כאשרבצומת ,פוגעהפנימי השדה

את מפרידהמטען נושאי

הנוצרים

שמש תאי


גלאים 11

+ -A

קצרים 2סיבה גל באורכי בליעה

ערכיות

הולכה

נבל אנרגטיים מאוד אלקטרונים חיצוני פוטואלקטרי אפקטנעקר אלה ההולכה לרמת קופץ לא האלקטרון אבל עים

h

h+

e-

f(<min)


גלאים 12

קצרים גל באורכי בליעהמובילה לא הקצרים הגל אורכי של הבליעה רוב

ההולכה לרמת אלקטרונים

RD

[V/w]

When ( < min):

RD() = 0.0 V/W

(phel. ext.)= min = hc/w

סיליקון w = 4.52 eVעבור

min = 0.27 m

When (incident < min(RD= 0 f(<min) = 0.0


גלאים 13

RD

[V/w]

RD

[A/W]

קוונטי גלאיאידיאלי

cut(Si) = 1.1 m

( סיבה ( פוטוןבוואטים של אנרגיה

פוטונים, לכן אנרגטיים

פחות יעילים

פוטון כלמעלה

,אחדאלקטרון בודד

כל jouleעבורפחות מקבלים

אלקטרונים ההולכה ברמת

f(Eph(


גלאים 14

אנרגיה של פוטונים(6.6x10-34 J s)(3x108 m s-1)

= (1.98 x 10-25 J m)

=

Eph[ 0.4 m] = 0.5 x 10-18 J Eph[ 0.8 m] = 0.25 x 10-18 J nph = 1018 ph/s

- יהיה, Wההספקב ,P [ 0.4 m] = 0.50 W P [ 0.8 m] = 0.25 W

, הנבלעים הפוטונים שמספר נניח הוא הגל אורכי משתי

ההולכה ברמת אלקטרונים של מספר אותו אקבל המקרים בשני

לקבל מנת על חלשים פוטונים לפחות זקוקים בהולכה אלקטרונים מספר אותו

Eph = h = hc


גלאים 15

RD,ph [A/W] = I/P

פוטון של אנרגיה השפעתההענות לעקום נותן

משולש של צורה

When (min < < cut) I,ph= (dnph()/dt)e = (P/h)e = Pe/hc

RD

[A/w]

RD,,ph = I/P =Pe/Phc

RD,,ph e/hc

[m][C][s]/[J][s][m] = [C]/[J] = [C][s]/[J][s] = A/Wיחידות בדיקת

בגלאי תלוי בלתי השיפוע

נתון -ב אורי הספק


גלאים 16

RD,,ph e/hc

גל אורכי min < < cutעבור

אותו הקוונטים הגלאים לכל RD,,phיש

פוטון של אנרגיה השפעת

- ב ליניארית , תלות - ל cutעד

RD

[A/W]

mA/W808.0[m/s])s])(3x10[J(6.6x10

[C]1.6x10hce

834

-19

-

f(Eph)= 0.808 x A/W]

במיקרון הגל אורך

השיפוע מעשי באופן (RD max) לפני לרדת מתחיל


גלאים 17

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

350 550 750 950 1150 1350 1550 1750

Res

pons

e [A

/W]

Wavelength [nm]

Ideal

Trap

InGaAs

Jarle Gran, Ph.D. Thesis, Faculty of Mathematics and Natural Sciences University of Oslo, 2005

The responsivity of an InGaAs detector

RD = 1.45 – 0.3 =

= 1.75 – 0.33 =

בשקף המוצגת הניסיוניות התוצאות מתוך ,חשב בית שיעורהצפוי הערך עם והשווה השיפוע את RD,/


גלאים 18

: גורם החזרה4סיבה

, השבירה בגורם התלוי החזרה ,גורםהגל באורך תלוי שבעצמו

Detector

I0

IR

=Fresnel R(i = 00)החזרי 2nt - ni

nt + ni

f(R)


גלאים 19

החזרה גורם

n

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

של המודל לפיHelmholtz של המודל לפי

Helmholtz

0 LS

האור מהירותביותר גבוהה

האור מהירותביותר הנמוכה

החזרי Fresnel

, בגורם התלוי החזרה גרםהגל, באורך התלוי השבירה

A

דוגמה זאתנוספים פתרונות יש


גלאים 20

Effect of Absorption on Dispersion

Fudamentals of Optics, Jenkins and White, McGraw-Hill,1957, p. 476

מורכבת פונקציה היא הבליעה פסי בתוך הקרומאטית הנפיצה

ירידה

רידהי

עליה

s>(min n)

s=(min n)


גלאים 21

גורם השפעתהחזרה

When (min cut) I,ph= (dnph()/dt)e = Pe/h = Pe/hc

When (min cut) I,R+ph= I,ph [1-R] = [1 - R]P e/hc

RD,,R = [1 - R] e/hc

עם ליניארית השיפוע עליה את משנה

הגביש לתוך הנכנס ההספק

f(R) = 1 - R

את הגל RDמוריד אורכי בכל החזרה גורם

(c) שכנר Optronics 4 Refraction Index

22

http://www.ird-inc.com/axuv.html

min = 0.27 m cut(Si) = 1.1 m

Si גלאי של עבודה תחום


גלאים 23

: בליעה5סיבה

עם יורד הבליעה של האקפוננציאלי המקדם- ב לאפס ומגיע הגל cutאורך

cut

- ב בגלל RDהמסקימה נוצר מנוגדות נטיות שתי

f(R) של כפונקציה עלה

של כפונקציה מורידה הבליעה

DmaxRR

Rf(A)λhc

eλR)(1

maxD,

maxD, -

-

" ההענות "טרפז

f(BL)


גלאים 24

מאוד גדול

ירדה פתאומית לקראת max

Wilson and Hawkes p. 316

I = I0 exp(-L)


גלאים 25

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/index.html

לוגריתמית פונקציה ,שונה אורך יחידת


גלאים 26

ערכיות

הולכה

Egh = Eg

מ"מל של הרמות בדיאגרמת שוב נסתכל

- RD מדוע ב חדה בצורה מסתיים ? cut לא


גלאים 27

אנרגיה בעלי האלקטרונים Eריכוז

--

-

kTEE

exph

)E(E)(2m4n(E) F

3

1/2C

3/2*e

Wilson and Hawkes p. 57 - 61 Saleh and Teich, 552- 559

הטמפרטורה של אקספוננציאלית פונקציהמצבים שני בין אנרגיה הפרש עבור

EF

ההולכה ברמת איכלוס

של סטטיסטיקה Fermi-Dirac

n

Ec

E

אנרגיה בעלי האלקטרונים Eריכוז

-

kTE

exp)E(Cn(E) F1/2CD


גלאים 28

EV

EF

אנרגיה בעלי האלקטרונים הערכיות ברמת איכלוסEריכוז

n


גלאים 29

EV

EF

Ec

n(E)משקל בשיווי

, הרמות תרמישל התחתונות

ההולכה מתמלאות

באלקטרונים את העוזבים

העליונות הרמותהערכיות פס של cut בפוטון נסתכל

,ימצא שלא יתכן בברמה אלקטרוןש ביותר הגבוהה

מקום יהיה שלא יתכן ,אלקטרון מוצא הוא ואםהערכיות להמוליכות של התחתונה ברמה לאלקטרון פנוי

נמוכה cut עם לפוטון ההסתברות היא להיבלע


גלאים 30

Ec

EV

EF

n(E) בפוטונים נסתכל,חלשים

cut -ל הקרובים

חלשים לפוטונים ההסתברות

להיבלעכי קטנה

התחתונות הרמותתפוסות בהולכה

מזו גדולה ההסתברותקטנה, cut בעל הפוטון של עדיין אבל


גלאים 31

Ec

EV

EF

n(E)בפוטונים נסתכל

גבוה אנרגיה בעלי ה

לפוטוניםהאלו

ההסתברות להיבלע

גדולה כי

הערכיות של התחתונות ברמות אלקטרונים תמיד יש -א

פנויות בהולכה עליונות הרמות - ב


גלאים 32

בליעה תתקייםאם

hc/ + (Ev’,I)absor = (Ec’,E)absor

(Ev,I)bsor הערכיות בפס הרמה של האנרגיה היא ) האלקטרון) נמצא התחלתיתשבו

הבליעה לפני תהליך

(Ec,E)bsor ההולכה בפס הרמה של האנרגיה היא ) האלקטרון) נמצא שבו הסופית

הבליעה אחרי תהליך


גלאים 33

הבליעה גורם - מ קצרים גל לאורכי בהענות המקסימום את cutמזיז

For a Silicon detector

L [m-1] [m]

10 0.4

0.6

0.8

1.0

1x10-3 1.1גודל 4 סדרי

, הבליעה בתחוםהרבה עוזר לא

את Lלהגדיל

RD[V/w]

max(Si) = 1.1 m

(RD max,Si)= 0.85 m


גלאים 34

השפעת גורם

הבליעה

- ב תלוי• , הבליעה של האקספוננציאלי Lגורם

• , האופטית Lבדרך

הגלאי מבנהפוטונים

השטח המואר

w

אלקטרודה

אלקטרודה

d

L


גלאים 35

T = I,T/I,R+ph = exp(- BL L)

A = 1 – T = 1- exp(- L L)

IL = I0 e-LL

RL Output Voltage

Detectorפוטונים

אלקטרודה

אלקטרודה

Bias Voltage

המעגל

הבליעה על בגביש עובי השפעת

L

f(BL) =


גלאים 36

A = 1 – T = 1- exp(- BL L)

A = 1

T = 0 = exp(-L L)

ln(BLL) = 1

- ש דואגים L-היצרנים ש כך מספיק גדול יהיה

RD

[A/w]

cut(Si) = 1.1 m

(RD max,Si)= 0.85 m

’

גל אורכי עבור (RD

max) ln(BLL) = 1


גלאים 37

לחשב מ"ע בשרטוט נשתמש,L האופטית הדרך ,בגלאי עובי אתמהפוטונים לבליעת

גל GaAs בגלאי הפוגעים באורך8 של מיקרון

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/index.html

(GaAs, 0.8 m) = 104 cm-1

A = 1 – T = 0.9999

T = 0.0001 = exp(-L)

lan T = - L = lan (0.0001) = - 9.2

L = 9.2/ = 9.2/104 = 9.2x10-4 cm = 9.2 m

L = 9.2


גלאים 38

קוונטים בגלאים להענות הכללית הפונקציה

Vacuum Photodiode

חיצוני

Photo-multiplier

Image Intensifiers

Photo-Conductive

פנימי

Photovoltaic

Photodiode

קוונטי( פוטואלקטרי- )

RD() = e/hc[1 - R][1- exp(- BLLD)]

(min cut)


גלאים 39

http://www.hpk.co.jp/Eng/products/ETD/pmte/pmte.htm

Hamamatsu

- חיצוניים פוטואלקטריים קוונטיים גלאיים של הענות

פוטונים מאוד

אנרגטיים עוקריםאת

האלקטרון לאיסוף

כאן גם רואיםפוטון של אנרגיה עליון גבולתחתון גבולהחזרה גורםבליעה גורם


גלאים 40

תא פוטו-אלקטרי

וואקום שפופרת

אלקטרון מואץ

אנודה

- פוטואלקטרית קתודה

Photon

h>w

רגישות לכחול, סגול, אולטרא-סגול

h + Mphotoelectric e- + M+ photoelectric

רעש: אפקט תרמיוני

סוף

הפרק

הסמסטר


גלאים 41

D-star

D* = D(Adf)1/2 RD(Adf)1/2 (Adf)1/2

NEP [m Hz1/2W-1]

Vn

f(e+h) Recombination

6סיבה

את מקטין *Dהרעש

,ארוכים גל באורכי עבודה תחום עם לגלאים רעש יותר יש

כתלות *D של בגרף רואים ,לכן- נמוך * יש האלו שלגלאים ,ב

יותר

ס"לנ


גלאים 42

http://www.electro-optical.com/bb_rad/detector.htm

Documents

מבוא לאלקטרו-אופטיקה