ZRAČENJA. Fotonski detektori. Barbaric,MS1.TS 1

Transcript

1 DETEKCIJA INFRACRVENOG ZRAČENJA Termalni detektori Fotonski detektori Barbaric,MS1.TS 1

2 Osnovna funkcija i parametri detektora Konverzija incidentnog zračenja u električni signal. Osnovni parametri su: 1. Spektralni opseg 2. Faktor konverzije (odziv 3. Osetljivost 4. Prostorna rezolucija Barbaric,MS1.TS 2

3 Detekcija optičkih zračenja Tipovi detektora optičkog zračenja Barbaric,MS1.TS 3

4 Tipovi detektora u termoviziji Fotonski: fotokonduktivni, fotonaponski i foton- emisioni. Hlađenje tečnim fluidima da se smanji struja mraka kod fotonskih detektora. Termalni: bolometar i piroelektrični detektori. Spektralna osetljivost u infracrvenoj oblasti talasnih dužina relativno mala. Barbaric,MS1.TS 4

5 Termalni detektori Kod termalnih detektora menja se otpornost, kapacitivnost ili neka druga fizička veličina materijala, usled apsorpcije i zagrejavanja detektora incidentnim zračenjem. Ovi detektori rade na sobnoj temperaturi i ne zahtevaju 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

6 Bolometar (termistor Menja otpornost usled zagrejavanja incidentnim zračenjem. Ovaj detektor je tanki film od provodnika ili od poluprovodnika koji predstavlja kvazi crno telo. Biraju se materijali sa visokim koeficijentom apsorpcije (α incidentnog zračenja. Barbaric,MS1.TS 6

7 E Princip rada bolometra Signal na izlazu detektora se menja sa promenom iradijanse R B R L v s v = V s b RL R + R B L V b Barbaric,MS1.TS 7

8 Promena otpornosti otpornika Poznata je činjenica da je otpornost materijala zavisi od temperature. Sa povećanjem temperature otpornost provodnika uglavnom raste a poluprovodnika p opada. Vrednost otpornosti otpornika u odnosu na R o je R = R 0 exp( α T gde je α p >0 i α pp <0, α je u 1/K. Promena otpornosti u funkciji promene temperature je Δρ 1 Δ R = α R Δ T, Δ ρ / ρ = Δ R / R, α = ρ ΔT Barbaric,MS1.TS 8

9 Odziv bolometra Inkrementalna temperaturna razlika ΔT = 2 T Δφ K + ( 2πf cct gde su: ΔΦ apsorbovani fluks, K T je coeficient odvođenja toplote u W/K, C T je toplotna kapacitivnost bolometra, f c je frekvencije incidentnog zračenja optomehaničkim čoperom. Odziv bolometra je Δ V αεr 0 R = gde je ε emisivnost ii tbolometra. 2 εδφ = i K T Barbaric,MS1.TS 9

10 Primer tipičnih parametara bolometra Otpornost na sobnoj temperaturi R 0 =50Ω Strujakrozbolometar i=15ma Koeficijent prenosa toplote K T= W/K Koeficijent apsorpcije toplote α=0,01 1/K Emisivnost površine detektora ε=0,99 Faktor konverzije 1,35V/W. Barbaric,MS1.TS 10

11 Piroelektrični detektor (pirometar Piroelektrični detektor menja količinu naelektrisanja na površini elektrode u funkciji promene temperature. Struja detektora je proporcionalna promeni temperature u vremenu. Piroelektrični materijali su materijali koji imaju spontanu promenu polarizacije kristala duž ose. Koriste se: BST (barijum stroncijum-titan tit i PZT (titan dopiran cirkonom. Barbaric,MS1.TS 11

12 Princip rada pirometra Princip rada se može objasniti na osnovu električne šeme kola E R L v s ΔT i p = pt Ad, vs = dt i p R L gde je p T piroelektrični koeficijent, A d površina detektora. Barbaric,MS1.TS 12

13 Ekvivalentno kolo pirometra Piroelektrični detektor generiše struju u funkciji promene iradijanse. i p C R L v s Granična kružna frekvencija ω g =1/CR L Δvs Faktor konverzije detektora R = εδφ ε Barbaric,MS1.TS 13

14 Fotonski detektori Fotonski ili kvantni detektori rade na principu interakcije nosilaca naelektrisanja udetektoru i incidentnog zračenja. Usled apsorpcije fotona dolazi do promene električnih karakteristika detektora. Fotonski detektori konvertuju apsorbovanu enrgiju fotona u generisane nosioce naelektrisanja. Uslov za konverziju je da je kvant energije dovoljan da dođe do generisanja naelektrisanja. Barbaric,MS1.TS 14

15 Detektori sa fotokonduktivnim (fotoprovodnim efektom Fotokonduktivni detektori su poluprovodnici, čisti ili dopirani, čija se provodnost menja sa promenom incidentnog zračenja. Usled apsorpcije zračenja dolazi do prelaska elektrona iz valentne u provodnu oblast a u valentnoj oblasti ostaje šupljina, odnosno, dolazi do generisanja parova elektron-šupljina. Pod dejstvom električnog polja elektroni i šupljine se kreću kroz detektor i povećavaju njegovu provodnost. Barbaric,MS1.TS 15

16 Čist poluprovodnik i poluprovodnik sa primesama electron electron E G =1.24/ 0 E G E i =1.24/ 0 E i=1.24/ 0 PHOTO- EXCITATION hole Čist (a Dopiran (b hole Barbaric,MS1.TS 16

17 Fotoprovodni detektor-električno električno kolo y z x w e SIGNAL d l R L V B Barbaric,MS1.TS 17

18 Fotoprovodni detektor Fizičke dimenzije Barbaric,MS1.TS 18

19 Foto-indukovana provodnost Priraštaj otpornosti detektora l ΔR D = Δσwdσ gde jeδσ indukovana provodnost, l, w i d dimenzije detektora. Barbaric,MS1.TS 19

20 Generisani parovi elektron-šupljina Iradijansa E 0, koja se apsorbuje u detektoru debljine d, powršine wl. Broj fotona u sekundi je E 0 n f = wl hc Usled apsorpcije zračenja generišu se parovi elektron- šupljina. Njihov broj po jedinici zaprimine u jedinici vremena η g n g =η g E0 1 hν d je koeficijent korisnog dejstva. Barbaric,MS1.TS 20

21 Priraštaj parova elektron-šupljina i rekombijacija j Za čist poluprovodnik broj elektrona je jednak broju šupljina (n=p. Priraštaj nosilaca naelektrisanja, u poluprovodniku, generisan od incidentnog zračenja je Δn=Δp, pa je broj rekombinovanih dat relacijom Δn Δp nr = = τ c τ c gde je τ c srednje vreme života manjinskih nosilaca naelektrisanja. Barbaric,MS1.TS 21

22 Provodnost poluprovodnika Provodnost poluprovodničkih materijala jednačinom σ = μ e nq + μ pq data je gde su μ e i μ p pokretljivost elektrona n i šupljina p, respektivno. Pokretljivos elektrona (μ =qτ/m e e u m V s je veća od pokretljivosti šupljina (μ p =qτ/m p. Na primer za čist silicijum n=p=1, m -3 pokretljivost elektrona je 0,35 u m 2 V -1 s -1, a šupljina 0,048 u m 2 V -1 s -1. p Barbaric,MS1.TS 22

23 Priraštaj provodnosti i jačina struje Priraštaj provodnosti detektora, usled apsorbcije zračenja je Δσ, a data je relacijom Δσ = Δnμ q + Δpμ q = n τ q( μ + e p g c ( μ e p Ako seprivede napon V na elektrode lkt ftk fotokonduktivnog dkti detektora dolazi do priraštaja struje, usled apsorpcije zračenja, č kroz dtkt detektor. Barbaric,MS1.TS 23

24 Priraštaj jačine struje Priraštaj struje kroz diodu je q( n wd V wd V i μ μ τ σ = + = Δ = Δ ( p e c g E q n l V wd l V i μ μ τ = + = = Δ ( 0 p e c g l w h E Vq μ μ τ η ν + = Barbaric,MS1.TS 24

25 Fotoprovodno pojačanje Za fotokonduktivne detektore definiše se fotokonduktivno pojačanje pj j kao odnos broja nosilaca naelektrisanja u jedinici vremena i broja generisanih parova elektronšupljina pj Δi / q τ c ( ηe + μ p V G = = 2 n lwd l g gde je τ c srednje vreme života manjinskih nosilaca naelektrisanja, μ e, μ p su pokretljivosti ti elektrona i šupljina, respektivno, V je napon na krajevima detektora, a l je dužina dtkt detektora. Barbaric,MS1.TS 25

26 Šumovi fotoprovodnog detektora Kod ovog tipa detektora osnovni izvor šuma su procesi generacije i rekombinacije nosilaca naelektrisanja. Usled promene temperature dolazi do generisanja nosilaca naelektrisanja i njihov broj je proporcionalan sa exp(-wg/2kt, gdejewg energija energetskog procepa poluprovodnika. Sa smanjenjem energetskog procepa povećava se granična talasna dužina, ali se povećava i broj generisanih nosilaca naelektrisanja pa se za veće talasne dužine ovi detektori hlade i time ograničava šum. Barbaric,MS1.TS 26

27 Šum generacije i rekombinacije Šum usled incidentne optičke snagesenemože ograničiti i u opsegu frekvencija Δf, koji je određen korisnim signalom, srednjekvadratna vrednost struje šuma usled generacije i rekombinacije je i 2 nr G = 4iqGΔf π f τ c gde je i ukupna struja kroz fotodiodu. Barbaric,MS1.TS 27

28 Šum sačme i termički šum Šum sačme je dominantan na niskim frekvencijama i određujeseizrelacije Δ f i 2 nf = i 2 B f gde je B konstanta (B Đonsonov ili termički šum se javlja na otporniku priključenom na krajevima fotodiode, srednjekvadratna vrednost struje termičkog šuma je 4kTΔf int = 2 R gde je R orpornost u kolu detektora. L L Barbaric,MS1.TS 28

29 Fotokonduktivni materijali Materijal Energetski procep u ev max u μm PbSe 0,23 5,390 PbS 0,42 2,590 Ge 0,67 1,850 Si 1,12 1,110 Hg-Cd-Te (0-1,6CdTe;0,3 HgTe 14,000 InAn 0,248 5,000 CdSe 1,80 0,690 CdS 2,4 0,520 Barbaric,MS1.TS 29

30 Fotodiode To su u stvari PIN i lavinsak fotodioda, koje generišu nosioce naelektrisanja usled apsorbcije optičkog zračenja u ispražnjenoj oblasti p-n spoja. Generisani nosioci naelektrisanja pod uticajem uspostavljenog električnog polja se kreću i to šupljine ka p, a elektroni ka n strani spoja. Ako se p-n spoj koristi za kontrolu napona na krajevima fotodiode, otvoreno kolo, naziva se fotonaponski režim rada, a kada se kratko spoje krajevi fotodiode ovaj režim je poznat kao fotostrujni režim rada. Barbaric,MS1.TS 30

31 PIN fotodioda-električno kolo y z d x w e n p SIGNAL l R L V B Barbaric,MS1.TS 31

32 Presek PIN fotodiode Barbaric,MS1.TS 32

33 Princip rada fotodiode Barbaric,MS1.TS 33

34 Koeficijent korisnog dejstva Koeficijent korisnog dejstva ili faktor efikasnosti detektora se određuje iz odnosa broja nosilaca naelektrisanja i broja kvantova energije u jedinici vremena η = I p / q Φ / hνν Koeficijent korisnog dejstva se definiše i preko refleksivnosti i apsoptivnosti incidentnog zračenja η = ( 1 ρ[1 exp( αw] Barbaric,MS1.TS 34

35 Faktor konverzije detektora Struja usled incidentnog zračenja je I p = ηq Φ = RΦ hν ν gde je R faktor konverzije optičkog zračenja u struju ili spektralni odziv detektora. Za lavinsku fotodiodu struja je I pl = MI = MRΦ p Barbaric,MS1.TS 35

36 Spektralni odziv Barbaric,MS1.TS 36

37 Strujno-naponska karakteristika Barbaric,MS1.TS 37

38 Strujno-naponska naponska karakteristika lavinske fotodiode Barbaric,MS1.TS 38

39 Fotonaponski i fotostruji mod fotodiode Fotonaponski mod, otvoreno kolo pa je napon koji generiše dioda V = kt ln i Fotostrujni mod, zatvoreno kolo, fotodiode q p i 0 i = φrφ Barbaric,MS1.TS 39

40 Odziv u vremenu i granična frevencija Vremenski odziv zavisi od kapacitivnosti fotodiode C d S 2 2qε V V N N N a + N d 0 d a 1/ 2 Granična frekvencija je data relacijom f g = 1 2πR L C d gde je Cd kapacitivnost p-n spoja, a R L otpornost priključena na fotodiodu. Barbaric,MS1.TS 40

41 Odnos signal-šum fotodioda Srednjekvadratna d vrednost tšuma i n = i N = 2 q [ I DS + ( I DB + P 0R k M F ( M ] B + i NAB + 4kTB / R gde je šum usled lavinskog pojačanja 1 F ( M = 0.98( M M Srednjekvadratna vrednost signala Odnos signal-šum je i 2 S = ( P R M S k 2 L SNR = i i 2 S 2 N = ( P R S k M { q [ I } DS + ( IDB + P0 Rk M F( M] + ina B + 4 ktb / RL 2 Barbaric,MS1.TS 41

42 Univerzalni parametri detektora Spektralni odziv i spektralna detektabilnost Snaga ekvivalentna šumu, minimalna detektibilna temperaturna razlika. Prostorna rezolucija i minimalna razloživa temperaturna razlika. Barbaric,MS1.TS 42

43 Spektralni odziv detektora Spektralni odziv se definiše / ( W V v v S = = R (, ( ( A f E d e Φ 2 2 / ( / ( ( ( W A ili W V d R = R φ / ( / ( ( ( L A ili L V d ph R = R φ ( ( ( 2 1 d φ ( ( d V φ Barbaric,MS1.TS 43

44 Snaga ekvivalentna šumu Snaga ekvivalentna šumu NEP v = n R Detektabilnost detektora D * = A d Δf NEP = R A d v n Δf Odnos signal šum 2 π ddet 2 8( f / no Δ f 1 Φ = SNR = NEP ε( M (, T D *( d Barbaric,MS1.TS 44

45 Ograničenja zračenja pozadine, BLIP-Background Limited Photon Radiation shield Detector active area D WINDOW h Barbaric,MS1.TS 45

46 Hlađenje fotonskih detektora Fotonski detektori se hlade da se smanji struja mraka kroz detektor. Tečni azot se često primenjuje u mini hladnjacima i površina detektora se odžava na temperaturi 77K. Nova tehnološka rešenja sistema hlađenja omogućavaju jako niske temperature oko desetak kelvina. Barbaric,MS1.TS 46