CAPITOLO 5
I FOTORIVELATORI
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IntroduzioneI fotorivelatori sono dispositivi optoelettronici
che assorbono energia, sotto forma di radiazione luminosa, e la
convertono in energia elettrica, che generalmente si manifesta
tramite una corrente elettrica. La risposta del dispositivo si
definisce quindi come una fotocorrente che dipende dal tasso di
assorbimento dei fotoni e dalla loro energia. I fotorivelatori
coprono un vasto campo di applicazioni, comprendente, ad esempio,
rivelatori per sistemi di comunicazione in fibra ottica, sensori di
fiamma e sensori chimici e biologici. A seconda del campo di
impiego a cui sono destinati, i fotorivelatori devono presentare
opportune specifiche, la cui importanza e priorit dipendente dalle
stesse applicazioni: - alta responsivit - linearit in funzione
della potenza ottica incidente - elevata sensibilit alla lunghezza
d'onda di funzionamento - velocit di risposta - basso rumore -
costo contenuto - dimensioni ridotte - bassi consumi - alta
affidabilit.
Il funzionamento di un fotorivelatore comprende, in genere, tre
processi: 1) 2) generazione di portatori da parte della luce
incidente; trasporto dei portatori fotogenerati e/o loro
moltiplicazione tramite eventuali meccanismi di amplificazione nel
materiale fotosensibile 3) raccolta dei portatori e generazione di
una fotocorrente, che fluisce in un circuito esterno.
Assorbimento ottico in un semiconduttoreNei fotorivelatori, vi
la conversione della radiazione ottica incidente in coppie
elettrone-lacuna, che possono essere rilevate in un appropriato
circuito elettrico esterno. Questa propriet basata su uno dei
fenomeni fondamentali dell'interazione della radiazione
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elettromagnetica con la materia: l'assorbimento. Il fenomeno
dell'assorbimento ottico in un semiconduttore pu coinvolgere
diversi tipi di transizioni a seconda del valore dell'energia dei
fotoni incidenti h, in cui h la costante di Planck e la frequenza
del fotone incidente. Infatti quando un semiconduttore viene
illuminato con fotoni di energia pari all'ampiezza della banda
proibita Eg, i fotoni vengono assorbiti dal materiale e si creano
coppie elettronelacuna come mostrato nel processo (a) della figura
1.1. Se invece h risulta maggiore di Eg, viene generata una coppia
elettrone-lacuna e, inoltre, l'energia in eccesso pari a (h-Eg)
viene dissipata sotto forma di calore ( cio mediante lemissione di
fononi acustici e/o ottici) come mostrato nella figura 1.1,
processo (b). Entrambi i processi, (a) e (b), sono chiamati
transizioni intrinseche (o transizioni banda-banda). Se il fotone
incidente presenta un'energia h minore di Eg, e non vi sono stati
energetici disponibili nella banda proibita, si verifica il
fenomeno della trasparenza, ossia il fotone incidente non viene
assorbito dal materiale.
Figura 1.1 - Assorbimento ottico in un semiconduttore per: (a)
h=Eg, (b) h>Eg, e (c) h
