Physik und Sensorik. Photodetektoren. Chemnitz 8. Oktober 2017 Prof. Dr. Uli Schwarz
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- Gerhard Kurzmann
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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
24 Photodioden Photodiode liefert Strom Meist wird Spannung gemessen (z.b. Analog-Digital-Wandler) Transimpedanz-Verstärker: Strom-Spannungs-Wandler & Verstärker UU oooooo = RR FFFFFFFFFFFFFFFF II PPPP = RR FFFFFFFFFFFFFFFF RR λλ II λλ Rückkopplungs-Widerstand RR FFFFFFFFFFFFFFFF in Ω Responsivity RR λλ in AA/WW Licht-Intensität II λλ in WW UU oooooo = 1 MMΩ 0.46 AA WW II λλ = VV II λλ WW 24 Quelle: Thorlabs
25 Optische Sensoren Z.B. Transmission durch Gewebe Lichtquelle Gewebe Photodetektor Verstärker Bildquelle: 25
26 Optische Sensoren Z.B. Transmission durch Gewebe Lichtquelle Gewebe Photodetektor Verstärker Bildquelle: 26
27 Leuchtdioden (LEDs) Halbleiter-Lichtquellen Elektron relaxiert von Leitungsband in Valenzband (Elektron-Loch-Rekombination) Emission von Photonen mit der Energie der Bandlücke Wellenlängen je nach Halbleiter-Material (bzw. Bandlücke) von IR bis UV 27
28 Leuchtdiode Solarzelle Photodioden Halbleiter-Dioden Strom LED + Photostrom Spannung Solarzelle Photodiode + 28
29 Photodiode Current space space Voltage Illuminated LED EE gg energy space 29
30 Leuchtdioden (LEDs) Current space space Voltage Illuminated LED EE gg EE gg energy space 30
31 Infrarot LED - Kathode (langes Beinchen) SFH 4554 von Osram OS Halbleiter: Galliumarsenid (GaAs) + Anode Peak-Wellenlänge: 860 nnnn Spektrale Bandbreite: 30 nnnn Halber Öffnungswinkel: ±10 Kurze Schaltzeiten: 12 nnnn Durchlassspannung: U = 1.7 VV bei II = 100 mmmm Maximaler Durchlassstrom (cw): II = 100 mmmm Kurze Strompulse bis II = 100 mmmm Typischer Strahlstärke II ee = 550 mmmm ssss 1 bei II = 100 mmmm, Pulslänge tt PP = 20 mmmm Gesamtstrahlungsfluss Φ ee = 75 mmmm bei II = 100 mmmm 31
32 Infrarot LED SFH 4554 von Osram OS Quelle: 32
33 Infrarot LED SFH 4554 von Osram OS Quelle: 33
34 34
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