Physik und Sensorik. Photodetektoren. Chemnitz 8. Oktober 2017 Prof. Dr. Uli Schwarz

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1 Photodetektoren

2 Optische Sensoren Z.B. Transmission durch Gewebe Lichtquelle Gewebe Photodetektor Verstärker Bildquelle: 2

3 Photodetektoren Volumen-Absorber Photomultiplier Photowiderstände Photodioden Phototransistoren CCD/CMOS Detektoren Funktionsweise Temperaturänderung Äußerer Photoeffekt Innerer Photoeffekt, HL-Bauelemente 3

4 Volumenabsorber ( Bolometer ) Absorption der Lichtleistung in mattschwarzem Körper Messung der Temperaturänderung (Erwärmung) Konstante Empfindlichkeit über großen Wellenlängenbereich (Ultraviolett (UV) bis mittleres Infrarot (IR)) Hohe Empfindlichkeit 50 VV/WW Träge (=langsam) Geringe Detektivity DD (Ursache ist hohes thermisches Rauschen) Quelle: Wikimedia 4

5 Volumenabsorber ( Bolometer ) Konstante Empfindlichkeit über großen Wellenlängenbereich (Ultraviolett (UV) bis mittleres Infrarot (IR)) Quelle: Thorlabs 5

6 Photomultiplier Licht regt Elektronen aus der Photokathode ins Vakuum an (äußerer Photoeffekt) Elektronen werden über hohe elektrische Felder beschleunig An Dynoden werden weitere Elektronen angeregt Srom-Verstärkung, Elektronenlawine Photostrom an der Anode ist proportional zur Anzahl der Photonen Aufbau einer Photomultiplier-Röhre Quelle: 6

7 Photomultiplier Quelle: 7

8 Photomultiplier Aufbau einer Photomultiplier-Röhre Quelle: 8

9 Photomultiplier Externer Photoeffekt Energieschema für eine Alkali-Metall Photokathode (z.b. Sb-Cs) Quelle: 9

10 Photomultiplier Spektrale Empfindlichkeit Quelle: 10

11 Photomultiplier Eigenschaften Sehr hohe Verstärkung gg 10 6 Sehr hohe Empfindlichkeit AA WW oder > 2000 AA/llll Sehr geringer Dunkelstrom II dddddddd 10 nnnn Sehr schnell tt rrrrrrrr 2 nnnn Benötigt Hochspannung (1 kv) Meist groß und stoßempfindlich (Glas) Quelle: 11

12 Photodioden Elektronen werden im Halbleiter vom Valenzband ins Leitungsband angeregt (innerer Photoeffekt) Elektronen werden über elektrische Felder im Halbleiter beschleunig Der Photostrom durch die Photodiode ist proportional zur Anzahl der Photonen Quelle: 12

13 Photodioden Elektronen werden im Halbleiter vom Valenzband ins Leitungsband angeregt (innerer Photoeffekt) Quelle: 13

14 Photodioden BPW 34 von Osram OS Relative spektrale Empfindlichkeit Silizium PIN Photodiode Wellenlängenbereich: 400 nm bis 1100 nm Spektrale Empfindlichkeit bei 850 nm: 0.62 AA WW Photostrom bei 1000 lx Standardbeleuchtung: 80 µaa Dunkelstrom: 2 nnnn Anstiegs- und Abfallszeit: 20 nnnn Quelle: 14

15 Photodioden Relative spektrale Empfindlichkeit Ultraviolett: Hochenergetische Photonen werden in Deckschicht absorbiert und erreichen nicht den p-n- Übergang der Diode Infrarot: Energie eines Photons reicht nicht aus, um eine Elektron über die Bandlücke anzuregen Quelle: 15

16 Photodioden Eigenschaften Empfindlichkeit 0.5 AA WW Keine Verstärkung (*) Sehr geringer Dunkelstrom II dddddddd 1 pppp 200 pppp 10 nnnn Sehr schnell tt rrrrrrrr 2 nnnn Kompakt, robust, billig (*) Phototransistor und Avalanche Photodiode (APD): geringe Verstärkung gg

17 Dioden Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode (Gleichrichter) Strom Durchlassrichtung + Sperrrichtung Spannung + 17

18 Dioden Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode (Gleichrichter) Strom Durchlassrichtung Sperrrichtung Spannung Durchbruch 18

19 Photodioden Strom-Spannungs-Kennlinie einer Photodiode (Gleichrichter) Dunkelkennlinie Strom Durchlassrichtung Dunkelstrom + Sperrrichtung Spannung Kathoden- Markierung + 19

20 Photodioden Strom-Spannungs-Kennlinie einer Photodiode (Gleichrichter) Dunkelkennlinie Strom Durchlassrichtung + Photostrom Spannung Kathoden- Markierung Sperrrichtung + 20

21 Photodioden Photodiode wird bei 0 V oder in Rückwärtsrichtung betrieben Strom = Photostrom + Dunkelstrom Strom Durchlassrichtung Dunkelstrom + Photostrom Spannung Kathoden- Markierung Sperrrichtung + 21

22 Photodioden Photodiode wird bei 0 V oder in Rückwärtsrichtung betrieben Strom = Photostrom + Dunkelstrom Photostrom ist proportional zur Lichtleistung (Anzahl der Photonen) Strom Rückwärtsrichtung, z.b. UU bbbbbbbb = 5 VV Dunkelstrom Hohes internes Feld Photodiode ist schnell Photostrom Spannung Keine Spannung UU bbbbbbbb = 0 VV Kein Dunkelstrom Bestes Signal-Rausch-Verhältnis Sperrrichtung + 22

23 Photodioden Photodiode wird bei 0 V oder in Rückwärtsrichtung betrieben Strom = Photostrom + Dunkelstrom Photostrom ist proportional zur Lichtleistung (Anzahl der Photonen) Dunkelstrom steigt mit Rückwärtsspannung Quelle: Hamamatsu Photonics, S1336 Datenblatt 23

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