מבוא לאלקטרו-אופטיקה
DESCRIPTION
D* של גלאים קוונטיים – תכונות משותפות. 3 -. מבוא לאלקטרו-אופטיקה. ראשי פרקים. D* and R D - 1. 2 -הענות ספקטרלית של גלאים - יחידות. פרק 10: פיסיקה של גלאים. 4 - סיבות. R D [V/W]. R D [A/W]. גלאי קוונטי מעשי. גלאי תרמי. l. l cut. הענות ספקטרלית של גלאים - יחידות. עבור מערכות - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
(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 -
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
גלאים 2
הענות ספקטרלית של גלאים - יחידות
תרמי גלאי
RD
[V/W]
RD
[A/W]
גלאי קוונטימעשי
cut
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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-
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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)
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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)
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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(
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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,/
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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)
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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)
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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)
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
גלאים 24
מאוד גדול
ירדה פתאומית לקראת max
Wilson and Hawkes p. 316
I = I0 exp(-L)
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
גלאים 25
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/index.html
לוגריתמית פונקציה ,שונה אורך יחידת
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
גלאים 26
ערכיות
הולכה
Egh = Eg
מ"מל של הרמות בדיאגרמת שוב נסתכל
- RD מדוע ב חדה בצורה מסתיים ? cut לא
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
גלאים 28
EV
EF
אנרגיה בעלי האלקטרונים הערכיות ברמת איכלוסEריכוז
n
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
גלאים 34
השפעת גורם
הבליעה
- ב תלוי• , הבליעה של האקספוננציאלי Lגורם
• , האופטית Lבדרך
הגלאי מבנהפוטונים
השטח המואר
w
אלקטרודה
אלקטרודה
d
L
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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) =
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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)
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
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
(c) שכנר 12מבוא לאלקטרו-אופטיקה - פרק
גלאים 42
http://www.electro-optical.com/bb_rad/detector.htm