Übersicht über die Vorlesung

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1 Übersicht über die Vorlesung OE 11.1 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren VIII.1 pn-photodioden VIII.2 pin-photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

2 Photowiderstände OE 11.2

3 Widerstandsänderung durch inneren Photoeffekt OE L R σ R = = σ A R σ U U I = I = R = 2 R R σ = eµ n + eµ p n = n 0 n = p n / τ n n + n, p = p / τ p = p p = 0 g + p U R Überschussdichte σ = σ Generationsrate bei zeitlich konstanter Bestrahlungsstärke A U L σ bei konstanter Spannung über dem Photoleiter σ = e( µ τ + µ τ )g n n p p R τ (b + 1)g = für τ = τ τ,b R bn p A I = e Uµτ g L µτ µ τ + µ τ n n p µ p n n p p µ

4 t r G Stromempfindlichkeit Φ Iph = eη = ea L g hν I e η( λ) λ = G Φ h c I U G = = µτ I L 2 = L v τ = t drift r Ph = L µ U / L = 2 L µ U primärer Photostrom Stromempfindlichkeit Gewinn - innere Verstärkung Lauf(Transit)zeit zwischen den Elektroden, minimal für v drift =v sat 10 7 cm/s Sättigungsdriftgeschwindigkeit OE 11.4 Innere Verstärkung groß, wenn die mittlere Trägerlebensdauer groß gegen die Transitzeit ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Feldstärke und das Lebensdauer-Beweglichkeitsprodukt groß sind.

5 Gewinn G OE 11.5

6 Übersicht über die Vorlesung OE 11.6 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren VIII.1 pn-photodioden VIII.2 pin-photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier/Sekundärelektronenvervielfacher IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

7 Äußerer Photoeffekt und Multiplikation OE 11.7 Äußerer Photoeffekt (Becquerel 1839, Hertz 1887, Hallwachs 1888) Metall- oder Halbleiter emittiert beim Auftreffen von optischer Strahlung auf dessen Oberfläche Photoelektronen in den Außenraum, wenn die Photonenenergie hν größer als die photoelektrische Austrittsarbeit Φ ist. Es gilt gemäß Einstein: Photozelle hν = Φ + E : kin Licht fällt auf semitransparente oder opake Photokathode. Auf der Rückseite bzw. der Licht zugewandten Seite der Photokatode treten Photoelektronen aus und werden durch das el. Feld zwischen Kathode und Anode auf die Anode beschleunigt und fließen als Anodenstrom in den Außenkreis ab. Photomultiplier: verstärkter Anodenstrom durch Sekundärelektronenvervielfachung.

8 Photomultiplier beruhen auf dem äußeren Photoeffekt OE 11.8

9 Absenkung der Austrittsarbeit: NEA-Photokathoden OE 11.9

10 NEA-Photokathode OE z.b. GaAs mit Zn p-dotiert und monoatomarer Bedeckung mit elektropositivem Cs Starke Bandverbiegung nach unten durch Übertritt von Elektronen vom Cs in Akzeptorniveaus (Besetzte Niveaus unterhalb des Ferminiveaus!) Entstehung einer Potenzialdifferenz an der Oberfläche durch Dipol-Doppel-schicht (positiven Cs und negativer Zn-Ionen) Gelangt so das Vakuumniveau unter die Leitungsbandunterkante E C, so entsteht eine effektive negative Elektronenaffinität (NEA). Elektron relaxiert innerhalb von ca s durch Stöße mit dem Gitter zu E=E C, lebt aber ca. 100 mal länger, bevor es mit einem Loch rekombiniert. Bei positiver Elektronenaffinität kann es also nach s nicht mehr die Oberflächenbarriere überwinden, bei negativer Elektronenaffinität kann es aber noch bis zu einer Zeit von ca s den Halbleiter verlassen. Die Fluchtweglänge ist also bis zu 100 mal größer, die Quantenausbeute wesentlich höher, bis zu 40 %.

11 Dunkelstrom Dunkelstrom durch ohmschen Leckstrom über isolierte Strecken bei hohen el. Feldern Austritt von Elektronen aus der Photokathode aufgrund ihrer thermischen Energie erzeugt Offset und Rauschen, multipliziert mit evtl. Verstärkung A/cm 2 OE Elektronen/(cm 2 s) 2 4πem( kt ) j = 3 h Φ = E / 2 + χ G e Φ kt Stromdichte thermischer Elektronen nach Richardson Thermische Austrittsarbeit eines Eigenhalbleiters Die meisten Photokathoden sind p-halbleiter wegen der tieferen Lage des Ferminiveaus (im Vergleich zum n- Halbleiter), von dem die thermische Austrittsarbeit beginnt. Kühlung mit Peltier-Elementen oder mit flüs-sigem N 2 reduziert die thermische Emission stark!

12 Vervielfachung der Elektronen im PMT/SEV OE Sekundärelektronenausbeute N s /N 0 abhängig vom Material und der Primärenergie E 0. Drei Prozesse sind erforderlich: Auftreffende Elektronen stoßen Elektronen im Material und erhöhen deren kinetische Energie. Einige von diesen Elektronen bewegen sich zur Oberfläche. Diejenigen mit Energien höher als die Oberflächenbarriere treten aus.

13 Sekundärelektronenvervielfachung OE Je höher die Primärenergie desto mehr angeregte Elektronen gibt es und umso mehr in größeren Tiefen. Die Fluchtwahrscheinlichkeit nimmt exponentiell mit der Tiefe ab.

14 Grundbeschaltung und Linearität im DC-Mode OE Zur Erzeugung der Stufenspannungen ohmsche Widerstandskette, über der die Hochspannung geteilt wird. Anodenstrom = verstärkter Kathodenstrom fließt über Messwiderstand R L ab. Photomultiplier nur linear, wenn Kettenstrom sehr groß (Faktor 100) gegen Anodenstrom ist Bei stark pulsierender Bestrahlung werden die letzten Kettenwiderstände kapazitiv abgestützt.

15 Photon counting (Photonenzählen) OE Antwort auf einen 0,5 ns Impuls Ladungsimpuls am PM-Ausgang als Antwort eines Bestrahlungspulses, der durch eine Delta- Funktion beschrieben wird (u.u. eines Photons) Transitzeit mittlere Zeit nach Delta-Erregung bis zum Auftreten eines Ausgangsimpulses Impulsbreite durch Laufzeitunterschiede Transitzeit 1 ns, abhängig von PM-Struktur und Hochspannung, Impulsbreite einige ns Impulsform abhängig von RC-Beschaltung des Ausgangs: R L C L << Lichtpulsbreite formgetreue Wiedergabe Photonenzählen, wenn 1/(R L C L ) >> Photonenrate

16 Photon counting (Photonenzählen) OE Bei genügend kleinen Bestrahlungsstärken (dies kann auch künstlich durch Abschwächung erzeugt werden) können diskrete Pulse aufgelöst werden. Damit kann die Messung der Lichtintensität auf ein Zählen digitaler Signale zurückgeführt werden.

17 PMT-Anwendungen OE z.b. als Röntgendetektoren in Medizintechnik Homeland Security z.b. als Detektoren, wenn es extrem wenig Licht gibt. Dabei direkte Konkurrenz mit APDs

18 OE I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren VIII.1 pn-photodioden VIII.2 pin-photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

19 Prinzip thermischer Detektoren OE Φ J C K Temperatur- Sensor Temperaturänderung T elektrisches Signal Wärmekapazität Wärmeleitwert W G K Wärmesenke Thermische Detektoren sind fast immer langsam (~1ms), dafür aber wellenlängenunabhängig. Eine typische Anwendung ist der IR-empfindliche Bewegungsmelder.

20 Leistungsbilanz des thermischen Detektors OE d( T) C = α Φ G T dt Φ = Φ + Φ cos 0 ( ωt) T = ( T) cos( ω t + ϕ) ω α Φω 1 ( T) ω = = G + ω C 1+ ω τ ω C ϕ = c tan G C τ T = G T Bilanzgleichung (α ist hier der dimensionslose Absorptionsgrad) modulierte Strahlungsleistung Lösung der Differentialgleichung α Φ G ω Phasenverschiebung Thermische Zeitkonstante Temperaturamplitude

21 Seebeck-Effekt OE Seebeck-Effekt: Tritt über einem Leiter oder Halbleiter ein Temperaturdifferenz T auf, so diffundieren mehr heiße Elektronen vom heißen zum kalten Ende als langsame Elektronen in umgekehrter Richtung. Die entstehende Potentialdifferenz U T erzeugt einen dem resultierenden Diffusionsstrom entgegengesetzt gleich großen Feldstrom. Nur die Thermospannung über den Enden zweier einseitig kontaktierter Thermoschenkel aus verschiedenen Materialien ist messbar: U = ( αs,1 αs,2)(t2 T 1) = αs,12 T Seebeck-Koeffizient α S von Metallen ist relativ klein einige µv/k die von Halbleitern relativ groß einige zehn µv/k. Sie addieren sich für n- und p-halbleiter des gleichen Materials. Verbreitet sind die Kombinationen Ag Pd, Bi Te, Sb Bi sowie n- und p-halbleiter aus BiTeO 3.

22 Optimierung von Thermosäulen OE Optimierung: 1. großer Seebeck-Koeffizient α S 2. große elektrische Leitfähigkeit σ zur Minimierung Joulescher Wärme 3. kleine thermische Leitfähigkeit κ zur Minimierung von Wärmeleitung vom heißen zum kalten Kontakt Gütezahl σ α S2 / κ relativ klein für Metalle, nicht nur wegen der kleinen Seebeck-Koeffizienten sonder auch wegen des Zusammenhangs κ/(σt)=l Lorenz (Wiedemann-Franz). Bestes thermoelektrisches Material hoch dotierte Halbleiter, z.b. Bi 2 Te 3. Thermosäule entsteht durch Serien- und Parallelschaltung von Thermoelementen z.b. aus Sb und Bi, besitzt höhere Empfindlichkeit und größere Empfängerfläche im Vergleich zum einzelnen Strahlungsthermoelement und wird eingesetzt als Laserdetektor oder zur aselektiven Radiometrie

23 Eigenschaften von Thermosäulen OE Herstellung meist mit Dünnfilmtechnik: Thermoelektrische Materialen aufgedampft auf einer sehr dünnen isolierenden Membran aus Al 2 O 3 oder PTFE und betrieben unter Schutzgas (Ar) Typisch Kontakte, aktive Fläche von 0,2 x 2 mm 2 bis etwa 28 mm 2 Zeitkonstante zwischen 10 ms und 300 ms DC-Spannungsempfindlichkeit von 1 30 V/W Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit von 0,3 bis 3%/K Ausgangswiderstand von 1 40 kω Messbereich von 1 nw bis 100 µw Problematisch ist die Temperaturdrift durch Änderung der Umgebungstemperatur, gemindert durch Schalten von bestrahlten und unbestrahlten Thermoelementen in Differenz oder durch Choppen der Strahlung und Hochpassfilterung

24 Bolometer - Spannungsempfindlichkeit OE Bolometer Widerstandselement mit großem Temperaturkoeffizienten α R in Dünnschichttechnik aufgebracht auf isolierendem Al 2 O 3 oder SiO 2 U = I R = I α R T R bei eingeprägtem Strom I durch Temperaturänderung T erzeugte Spannungsänderung U über Bolometer ( T) = ω G α Φ ω + ω C U α α s G + ω α αr R I / G 1 + ω τ R = = R I = Φ ω 2 2 T C

25 Bolometer OE Für hohe Empfindlichkeit s nicht nur möglichst großer Temperaturkoeffizient α R und Absorptionsgrad α sondern auch große Widerstands- und Stromwerte R und I. Aller-dings: R und I sind zu begrenzen wegen Joulescher Wärmeentwicklung und insbesondere R in Verbindung mit der Verstärkereingangskapazität wegen größerer el. Zeitkonstante

26 Supraleitender Bolometer IMS(M. Siegel) OE Einzelphotonenempfindlichkeit - Energieaufllösung!

27 Pyroelektrische Detektoren OE Signal nur mit Wechsellicht! Pyroelektrisches Material besitzt niedrige kristalline Symmetrie und eine spontane elektrische Polarisation. Stationär ist das innere el. Feld gleich ausgerichteter elektrischer Dipole kompensiert durch das Feld von Ladungen auf der Materialoberfläche. Durch Temperaturerhöhung erniedrigt sich die spontane Polarisation und damit das Dipolfeld. Da das Material ein recht guter Isolator ist, verbleibt auf der Oberfläche für den Moment der Temperaturänderung die nun nicht mehr kompensierte äußere Ladung. Ausgeführt als Kondensator mit einseitig transparenter Elektrode und mit dem pyroelektrischem Material als Dielektrikum fließt bei geschlossenem Außenkreis durch den Detektor ein Verschiebungsstrom. Ersatzschaltung: Spannungsquelle in Serie mit Kondensator!

28 Einsatz und Betrieb pyroelektrischer Empfänger OE Schaffung eines breitbandigen Radiometer- Messkopfes mit nahezu aselektiver spektr. Empfindlichkeit durch Strahlungsfalle (Kavität) über dem Detektor und kleiner total absorbierender Öffnung absoluter Empfänger (Empfänger mit berechenbarer Empfindlichkeit) Pyroelektrischer Detektor: Elektrischer Betrieb mit großem Lastwiderstand von Ω und nachgeschaltetem FET- Sourcefolger (Impedanzwandler) Anwendung in Bewegungsmeldern (Alarmanlagen), Taudetektoren, Infrarot- Bildtechnik, IR-Spektroskopie

29 Golay-Zelle OE Schematische Darstellung einer Golayzelle - thermopneumatischer Detektor Fenster Piezoelement oder verstimmbarer Kondensator hν Gas Gasgefüllte Zelle wird durch Fenster bestrahlt. Die vom Gas absorbierte Strahlung heizt dieses auf und erhöht den Gasdruck. Der Druckanstieg wird entweder durch ein piezokeramisches Element oder einen Kondensator, dessen eine Elektrode als bewegliche Membran ausgeführt ist, in eine Spannungsänderung umgesetzt. Besonders geeignet für die Gasanalyse, wenn die Wellenlänge der Strahlung auf eine starke Absorptionsbande meist im IR -, eines Molekülgases abgestimmt wird. Zeitkonstante ca. 10 ms Spektralbereich VIS bis Millimeterwellen