DETEKCIJA INFRACRVENOGDETEKCIJA INFRACRVENOG ZRAČENJA

•Termalni detektoriTermalni detektori• Fotonski detektori

Barbaric,MS1.TS 1

Osnovna funkcija i parametriOsnovna funkcija i parametri detektora

• Konverzija incidentnog zračenja u električnisignal.signal.

• Osnovni parametri su:1 S kt l i1. Spektralni opseg2. Faktor konverzije (odziv) 3. Osetljivost4. Prostorna rezolucija4. Prostorna rezolucija

Barbaric,MS1.TS 2

Detekcija optičkih zračenja

• Tipovi detektora optičkog zračenja

Barbaric,MS1.TS 3

Tipovi detektora u termoviziji

• Fotonski: fotokonduktivni, fotonaponski i foton-emisioniemisioni.

Hlađenje tečnim fluidima da se smanji struja mrakakod fotonskih detektorakod fotonskih detektora.

• Termalni: bolometar i piroelektrični detektori.Spektralna osetljivost u infracrvenoj oblastiSpektralna osetljivost u infracrvenoj oblastitalasnih dužina relativno mala.

Barbaric,MS1.TS 4

Termalni detektori• Kod termalnih detektora menja se otpornost,

kapacitivnost ili neka druga fizička veličinakapacitivnost ili neka druga fizička veličinamaterijala, usled apsorpcije i zagrejavanjadetektora incidentnim zračenjem.detektora incidentnim zračenjem.

• Ovi detektori rade na sobnoj temperaturi i nezahtevaju hlađenjezahtevaju hlađenje.

• Po karakteristikama su lošiji od foton detektora.• Termalni detektori su: bolometar, piroelektrični

detektor i termopar, koji se ne koristi u termoviziji.

Barbaric,MS1.TS 5

Bolometar (termistor)

• Menja otpornost usled zagrejavanjaincidentnim zračenjem.

• Ovaj detektor je tanki film od provodnika iliOvaj detektor je tanki film od provodnika iliod poluprovodnika koji predstavlja kvazicrno telocrno telo.

• Biraju se materijali sa visokim koeficijentomapsorpcije (α) incidentnog zračenja.

Barbaric,MS1.TS 6

Princip rada bolometrai l i l d k j• Signal na izlazu detektora se menja sa promenom

iradijanse

EλL

bs RRRVv =

vs

RLRB LBbs RR +

VBarbaric,MS1.TS 7

Vb

Promena otpornosti otpornika• Poznata je činjenica da je otpornost materijala zavisi od

temperature.• Sa povećanjem temperature otpornost provodnika

uglavnom raste a poluprovodnika opada.g p p p• Vrednost otpornosti otpornika u odnosu na Ro je

)exp( TRR αgde je αp>0 i αpp<0, α je u 1/K.

P i f k iji j

)exp(0 TRR α=

• Promena otpornosti u funkciji promene temperature je

RRTRR Δ=Δ=ΔΔ=Δ 1// ραρραBarbaric,MS1.TS 8

TRRTRR

ΔΔΔΔΔ ,//,

ραρρα

Od i b l tOdziv bolometra• Inkrementalna temperaturna razlika• Inkrementalna temperaturna razlika

22T φΔ=Δ

gde su: ΔΦ apsorbovani fluks, KT je coeficient odvođenja

22 )2( TcT CfK π+

g p T j jtoplote u W/K, CT je toplotna kapacitivnost bolometra,fc je frekvencije incidentnog zračenja optomehaničkimcčoperom.

• Odziv bolometra je RiV 0αε=Δ=ℜOdziv bolometra je

d j i i t b l tTK

iε

=ΔΦ

=ℜ

Barbaric,MS1.TS 9

gde je ε emisivnost bolometra.

Primer tipičnih parametara bolometra

• Otpornost na sobnoj temperaturi R0=50Ω• Struja kroz bolometar i=15mA• Koeficijent prenosa toplote KT=5·10-4W/Kj p p T

• Koeficijent apsorpcije toplote α=0,01 1/K• Emisivnost površine detektora ε=0 9• Emisivnost površine detektora ε=0,9• Faktor konverzije 1,35V/W.

Barbaric,MS1.TS 10

Piroelektrični detektor (pirometar)• Piroelektrični detektor menja količinu naelektrisanja

na površini elektrode u funkciji promenep j ptemperature.

• Struja detektora je proporcionalna promeniStruja detektora je proporcionalna promenitemperature u vremenu.

• Piroelektrični materijali su materijali koji imaju• Piroelektrični materijali su materijali koji imajuspontanu promenu polarizacije kristala duž ose.K i t BST (b ij t ij tit ) i PZT• Koriste se: BST (barijum–stroncijum-titan) i PZT(titan dopiran cirkonom).

Barbaric,MS1.TS 11

Princip rada pirometra

• Princip rada se može objasniti na osnovu električne šeme kolašeme kola

E

RLvs

E

LpsdTp RivdtTApi =Δ= ,dt

gde je pT piroelektrični koeficijent, Ad površinadetektora.

Barbaric,MS1.TS 12

Ekvivalentno kolo pirometra

• Piroelektrični detektor generiše struju u funkcijii dijpromene iradijanse.

vsip C

RL

• Granična kružna frekvencija ωg=1/CRL

• Faktor konverzije detektoraΔΦΔ

=ℜε

sv

Barbaric,MS1.TS 13

ΔΦε

Fotonski detektori

• Fotonski ili kvantni detektori rade na principui k ij il l k i j d k iinterakcije nosilaca naelektrisanja u detektoru iincidentnog zračenja.

• Usled apsorpcije fotona dolazi do promeneelektričnih karakteristika detektora.

• Fotonski detektori konvertuju apsorbovanu enrgijufotona u generisane nosioce naelektrisanja.g j

• Uslov za konverziju je da je kvant energijedovoljan da dođe do generisanja naelektrisanja

Barbaric,MS1.TS 14

dovoljan da dođe do generisanja naelektrisanja.

Detektori sa fotokonduktivnimDetektori sa fotokonduktivnim (fotoprovodnim) efektom( p )

• Fotokonduktivni detektori su poluprovodnici, čistiili dopirani čija se provodnost menja saili dopirani, čija se provodnost menja sapromenom incidentnog zračenja.

• Usled apsorpcije zračenja dolazi do prelaska• Usled apsorpcije zračenja dolazi do prelaskaelektrona iz valentne u provodnu oblast a uvalentnoj oblasti ostaje šupljina odnosno dolazivalentnoj oblasti ostaje šupljina, odnosno, dolazido generisanja parova elektron-šupljina.

• Pod dejstvom električnog polja elektroni i šupljinePod dejstvom električnog polja elektroni i šupljinese kreću kroz detektor i povećavaju njegovuprovodnost.

Barbaric,MS1.TS 15

p

Čist poluprovodnik i poluprovodnikČist poluprovodnik i poluprovodnik sa primesamap

electron electron

Ei=1.24/λ0

EG=1.24/λ0 PHOTO-

EXCITATIONE G i λ0

Ei=1.24/λ0

hole hole

Čist Dopiran

(a) (b)

Barbaric,MS1.TS 16

Fotoprovodni detektor električnoFotoprovodni detektor-električno kolokolo

e SIGNALwx

z

y

R Ld

z

Ll

V B

Barbaric,MS1.TS 17

d i d kFotoprovodni detektor• Fizičke dimenzijeFizičke dimenzije

Barbaric,MS1.TS 18

Foto-indukovana provodnost

• Priraštaj otpornosti detektora

wdlRD σΔ

=Δ

gde jeΔσ indukovana provodnost, l, w i dwdσΔ

dimenzije detektora.

Barbaric,MS1.TS 19

Generisani parovi elektron-šupljina• Iradijansa E0, koja se apsorbuje u detektoru debljine d,

powršine wl. Broj fotona u sekundi je

λhcwlE

n f0=

• Usled apsorpcije zračenja generišu se parovi elektron-šupljina Njihov broj po jedinici zaprimine u jedinici

hc

šupljina. Njihov broj po jedinici zaprimine u jedinicivremena En gg

10η=

ηg je koeficijent korisnog dejstva.dhgg ν

η

Barbaric,MS1.TS 20

Priraštaj parova elektron šupljina iPriraštaj parova elektron-šupljina i rekombijacijaj j

• Za čist poluprovodnik broj elektrona je jednakb j š lji ( )broju šupljina (n=p).

• Priraštaj nosilaca naelektrisanja, u poluprovodniku,generisan od incidentnog zračenja je Δn=Δp, pa jebroj rekombinovanih dat relacijom

rpnn

ττΔ=Δ=

gde je τc srednje vreme života manjinskih nosilacanaelektrisanja

cc ττ

Barbaric,MS1.TS 21

naelektrisanja.

Provodnost poluprovodnika• Provodnost poluprovodničkih materijala data je

jednačinomj

gde su μ i μ pokretljivost elektrona n i šupljina p,pqnq pe μμσ +=

gde su μe i μp pokretljivost elektrona n i šupljina p,respektivno.

• Pokretljivos elektrona (μ =qτ/m ) u m2V-1s-1 jePokretljivos elektrona (μe qτ/me) u m V s jeveća od pokretljivosti šupljina (μp=qτ/mp). Naprimer za čist silicijum n=p=1,6⋅1016 m-3p j ppokretljivost elektrona je 0,35 u m2V-1s-1, ašupljina 0,048 u m2V-1s-1.

Barbaric,MS1.TS 22

Priraštaj provodnosti i jačina struje

• Priraštaj provodnosti detektora, usled apsorbcijezračenja je Δσ, a data je relacijom

)( +Δ+ΔΔ

Ak i d V l kt d f t k d kti

)( pecgpe qnqpqn μμτμμσ +=Δ+Δ=Δ

• Ako se privede napon V na elektrode fotokonduktivnogdetektora dolazi do priraštaja struje, usled apsorpcije

č j k d t ktzračenja, kroz detektor.

Barbaric,MS1.TS 23

Priraštaj jačine struje

• Priraštaj struje kroz diodu je

)(qnwdVwdVi μμτσ =+=Δ=Δ )( pecg

E

qnl

Vwdl

Vi μμτ =+==Δ

)(0pecg l

whEVq μμτην

+=

Barbaric,MS1.TS 24

Fotoprovodno pojačanje• Za fotokonduktivne detektore definiše se fotokonduktivno

pojačanje kao odnos broja nosilaca naelektrisanja up j j j jjedinici vremena i broja generisanih parova elektron-šupljina

)( Vp j

2

)(/l

VlwdnqiG pec

g

μητ +=Δ=

• gde je τc srednje vreme života manjinskih nosilacal kt i j k tlji ti l kt i š lji

g

naelektrisanja, μe, μp su pokretljivosti elektrona i šupljina,respektivno, V je napon na krajevima detektora, a l jed ži d t kt

Barbaric,MS1.TS 25dužina detektora.

Šumovi fotoprovodnog detektora

• Kod ovog tipa detektora osnovni izvor šuma su procesigeneracije i rekombinacije nosilaca naelektrisanja.generacije i rekombinacije nosilaca naelektrisanja.

• Usled promene temperature dolazi do generisanjanosilaca naelektrisanja i njihov broj je proporcionalan sanosilaca naelektrisanja i njihov broj je proporcionalan saexp(-Wg/2kT), gde je Wg energija energetskog procepapoluprovodnika .

• Sa smanjenjem energetskog procepa povećava segranična talasna dužina, ali se povećava i broj generisanihnosilaca naelektrisanja pa se za veće talasne dužine ovidetektori hlade i time ograničava šum.

Barbaric,MS1.TS 26

Šum generacije i rekombinacije

• Šum usled incidentne optičke snage se ne možeograničiti i u opsegu frekvencija Δf , koji jeodređen korisnim signalom, srednjekvadratnavrednost struje šuma usled generacije irekombinacije je

2222

414

GnRffiqGiτπ+

Δ=−

• gde je i ukupna struja kroz fotodiodu.41 cf τπ+

Barbaric,MS1.TS 27

ŠŠum sačme i termički šumŠ č j d i i ki f k ij i• Šum sačme je dominantan na niskim frekvencijama iodređuje se iz relacije

fΔ

gde je B konstanta (B 10-11)ffBiinf

Δ= 22

gde je B konstanta (B≈ 10 11).• Đonsonov ili termički šum se javlja na otporniku

priključenom na krajevima fotodiode srednjekvadratnapriključenom na krajevima fotodiode, srednjekvadratnavrednost struje termičkog šuma je

fkTΔ4

gde je RL orpornost u kolu detektora.LnT R

fkTi Δ= 42

Barbaric,MS1.TS 28

g j L p

Fotokonduktivni materijaliMaterijal Energetski procep u eV λmax u μmPbSe 0,23 5,390PbS 0,42 2,590Ge 0,67 1,850Si 1,12 1,110Hg-Cd-Te (0-1,6)CdTe;0,3 HgTe 14,000g ( ) gInAn 0,248 5,000

CdSe 1 80 0 690CdSe 1,80 0,690CdS 2,4 0,520

Barbaric,MS1.TS 29

Fotodiode• To su u stvari PIN i lavinsak fotodioda, koje generišu

nosioce naelektrisanja usled apsorbcije optičkogj i j j bl i jzračenja u ispražnjenoj oblasti p-n spoja.

• Generisani nosioci naelektrisanja pod uticajemlj l k ič lj k ć iuspostavljenog električnog polja se kreću i to

šupljine ka p, a elektroni ka n strani spoja.Ak j k i i k l• Ako se p-n spoj koristi za kontrolu napona nakrajevima fotodiode, otvoreno kolo, naziva sefotonaponski režim rada a kada se kratko spojefotonaponski režim rada, a kada se kratko spojekrajevi fotodiode ovaj režim je poznat kaofotostrujni režim rada

Barbaric,MS1.TS 30

fotostrujni režim rada.

PIN fotodioda-električno kolo

e n

x

z y

w

S IG NA Lpd

l

R L

V B

Barbaric,MS1.TS 31

Presek PIN fotodiode

Barbaric,MS1.TS 32

Princip rada fotodiodePrincip rada fotodiode

Barbaric,MS1.TS 33

Koeficijent korisnog dejstva

• Koeficijent korisnog dejstva ili faktor efikasnostid k d đ j i d b j ildetektora se određuje iz odnosa broja nosilacanaelektrisanja i broja kvantova energije u jedinicivremena

νη

hqI p

//

Φ=

• Koeficijent korisnog dejstva se definiše i prekorefleksivnosti i apsoptivnosti incidentnog zračenja

νh/Φ

refleksivnosti i apsoptivnosti incidentnog zračenja)]exp(1)[1( wαρη −−−=

Barbaric,MS1.TS 34

Faktor konverzije detektora

• Struja usled incidentnog zračenja je

Φℜ=Φ=ν

ηhqI p

gde je ℜ faktor konverzije optičkog zračenja u struju

νh

ili spektralni odziv detektora.• Za lavinsku fotodiodu struja je j j

Φℜ== MMII ppL

Barbaric,MS1.TS 35

Spektralni odziv

Barbaric,MS1.TS 36

Strujno-naponska karakteristika

Barbaric,MS1.TS 37

Strujno naponska karakteristikaStrujno-naponska karakteristika lavinske fotodiode

Barbaric,MS1.TS 38

Fotonaponski i fotostruji modFotonaponski i fotostruji mod fotodiode

• Fotonaponski mod, otvoreno kolo pa je naponk ji iš di dkoji generiše dioda

lnikTV p=

• Fotostrujni mod zatvoreno kolo fotodiode0iq

Fotostrujni mod, zatvoreno kolo, fotodiode

ℜ= φi ℜφi

Barbaric,MS1.TS 39

Odziv u vremenu i graničnaOdziv u vremenu i granična frevencijaj

• Vremenski odziv zavisi od kapacitivnosti fotodiode2/1

0

22

+−

≈ad

add NN

NNVV

qSC ε

• Granična frekvencija je data relacijom0 ad

dLg CRf

π21=

gde je Cd kapacitivnost p-n spoja, a RL otpornost priključena na fotodiodu

dL

Barbaric,MS1.TS 40

fotodiodu.

Odnos signal-šum fotodiodaS d j k d t d t š• Srednjekvadratna vrednost šuma

LNAkDBDSNn RkTBBiBMFMRPIIqii /4)]()([2 220

22 ++++==gde je šum usled lavinskog pojačanja

LNAkDBDSNn q )]()([ 0

MMF 020)12(980)( +−=• Srednjekvadratna vrednost signala

MM

MF 02.0)2(98.0)( +−=

22 )( MRPi• Odnos signal-šum je

22 )( MRPi kSS =

kSS

RkTBBMFMRPIIqMRP

iiSNR

/4i)]()([2)(

22

2

2

2

++++==

Barbaric,MS1.TS 41

LkDBDSN RkTBBMFMRPIIqi /4i)]()([2 NA0 ++++

Univerzalni parametri detektora

• Spektralni odziv i spektralna detektabilnost• Snaga ekvivalentna šumu, minimalna detektibilna

temperaturna razlika.• Prostorna rezolucija i minimalna razloživa

temperaturna razlika.p

Barbaric,MS1.TS 42

Spektralni odziv detektora

• Spektralni odziv se definiše

)/( WVvvSλλλ ==ℜ )(

),()( AfE de λλλλ ⋅Φ

2λ 2λ

)/()/()()(

2

2

1 WAiliWVd ℜ

=ℜ λ

λ

λ

λλλφ)/()/(

)()(

2

2

1 LAiliLV

d

ph

ℜ

=ℜ λ

λ

λ

λλλφ

)()()(

2

1

dλ

λ

λλφ )()(6831

dVλ

λλλφ

Barbaric,MS1.TS 43

Snaga ekvivalentna šumu• Snaga ekvivalentna šumu

ℜ= nvNEP

• Detektabilnost detektora dd

vfA

NEPfA

DΔ⋅ℜ

=Δ

=*

• Odnos signal šumnvNEP

λλλλεπ λ

dDTMff

dSNRNEP

)(*),()()/(8

2

2det Δ

==Φ

λfnofNEP )/(8 12 Δ

Barbaric,MS1.TS 44

Ograničenja zračenja pozadineOgraničenja zračenja pozadine, BLIP-Background Limited Photong

Detectoractive

Radiationshield

Darea active

WINDOW

h

Barbaric,MS1.TS 45

Hlađenje fotonskih detektora

• Fotonski detektori se hlade da se smanji strujamraka kroz detektormraka kroz detektor.

• Tečni azot se često primenjuje u mini hladnjacima ipovršina detektora se odžava na temperaturi 77Kpovršina detektora se odžava na temperaturi 77K.

• Nova tehnološka rešenja sistema hlađenjaomogućavaju jako niske temperature oko desetakomogućavaju jako niske temperature oko desetakkelvina.

Barbaric,MS1.TS 46