Übersicht über die Vorlesung - KIT
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OE 11.1 SS 2008 Übersicht über die Vorlesung I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. Einleitung Physikalische Grundlagen der Optoelektronik Herstellungstechnologien Halbleiterleuchtdioden Optik in Halbleiterbauelementen Laserdioden Betrieb von Leucht- und Laserdioden Quantendetektoren VIII.1 pn-Photodioden VIII.2 pin-Photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier Thermische Detektoren Nachweisgrenzen und Rauschen Bildsensoren Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Photowiderstände OE 11.2 SS 2008 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Widerstandsänderung durch inneren Photoeffekt 1 L ∆R ∆σ ⇒ =− σ σ A R U U U ∆σ A I = ⇒ ∆I = − 2 ∆R = = U ⋅ ∆σ R R R σ L σ = e µ n n + eµ p p OE 11.3 SS 2008 R= bei konstanter Spannung über dem Photoleiter n = n0 + ∆n, p = p0 + ∆p ∆n = ∆p Überschussdichte ∆n / τ n = ∆p / τ p = g Generationsrate bei zeitlich konstanter Bestrahlungsstärke ∆σ = e(µ n τn + µ p τp )g ⇒ µ ∆R τ(b + 1)g = für τn = τp ≡ τ, b ≡ n R bn 0 + p0 µp A ∆I = e Uµτ ⋅ g L µτ ≡ µ n τn + µ p τp Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Stromempfindlichkeit Φ I ph = eη = eA ⋅ L ⋅ g ⇒ hν ∆I eη(λ)λ = G Φ h ⋅c ∆I U G= = µτ 2 I Ph L tr = G= L vdrift τ tr L L2 = = ⇒ µU / L µU OE 11.4 SS 2008 „primärer“ Photostrom „Stromempfindlichkeit“ Gewinn - innere Verstärkung Lauf(Transit)zeit zwischen den Elektroden, minimal für vdrift=vsat≈107 cm/s Sättigungsdriftgeschwindigkeit 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. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Gewinn G OE 11.5 SS 2008 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 OE 11.6 SS 2008 Übersicht über die Vorlesung I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. Einleitung Physikalische Grundlagen der Optoelektronik Herstellungstechnologien Halbleiterleuchtdioden Optik in Halbleiterbauelementen Laserdioden Betrieb von Leucht- und Laserdioden Quantendetektoren VIII.1 pn-Photodioden VIII.2 pin-Photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier/Sekundärelektronenvervielfacher Thermische Detektoren Nachweisgrenzen und Rauschen Bildsensoren Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Äußerer Photoeffekt und Multiplikation OE 11.7 SS 2008 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: hν = Φ + E kin Photozelle : 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. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Photomultiplier beruhen auf dem äußeren Photoeffekt OE 11.8 SS 2008 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Absenkung der Austrittsarbeit: NEA-Photokathoden OE 11.9 SS 2008 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 NEA-Photokathode OE 11.10 SS 2008 Starke Bandverbiegung nach unten durch Übertritt von Elektronen vom Cs in Akzeptorniveaus (Besetzte Niveaus unterhalb des Ferminiveaus !) z.B. GaAs mit Zn p-dotiert und „monoatomarer“ Bedeckung mit elektropositivem Cs Entstehung einer Potenzialdifferenz an der Oberfläche durch Dipol-Doppel-schicht (positiven Cs und negativer Zn-Ionen) Gelangt so das Vakuumniveau unter die Leitungsbandunterkante EC, so entsteht eine effektive negative Elektronenaffinität (NEA). Elektron relaxiert innerhalb von ca. 10-12 s durch Stöße mit dem Gitter zu E=EC, lebt aber ca. 100 mal länger, bevor es mit einem Loch rekombiniert. Bei positiver Elektronenaffinität kann es also nach 10-12 s nicht mehr die Oberflächenbarriere überwinden, bei negativer Elektronenaffinität kann es aber noch bis zu einer Zeit von ca. 10-10 s den Halbleiter verlassen. Die Fluchtweglänge ist also bis zu 100 mal größer, die Quantenausbeute wesentlich höher, bis zu 40 % . Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Dunkelstrom Elektronen/(cm22s) OE 11.11 SS 2008 •ohmschen Leckstrom über isolierte Strecken bei hohen el. Feldern A/cm2 Dunkelstrom durch •Austritt von Elektronen aus der Photokathode aufgrund ihrer thermischen Energie – erzeugt Offset und Rauschen, multipliziert mit evtl. Verstärkung 4πem ( kT ) 2 − kT j= e 3 h Φ = EG / 2 + χ Φ Stromdichte thermischer Elektronen nach Richardson Thermische Austrittsarbeit eines Eigenhalbleiters Die meisten Photokathoden sind p-Halbleiter wegen der tieferen Lage des Ferminiveaus (im Vergleich zum nHalbleiter), von dem die thermische Austrittsarbeit beginnt. Kühlung mit Peltier-Elementen oder mit flüs-sigem N2 reduziert die thermische Emission stark! Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Vervielfachung der Elektronen im PMT/SEV OE 11.12 SS 2008 Sekundärelektronenausbeute Ns/N0 abhängig vom Material und der Primärenergie E0. 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. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Sekundärelektronenvervielfachung OE 11.13 SS 2008 Je höher die Primärenergie desto mehr angeregte Elektronen gibt es und umso mehr in größeren Tiefen. Die Fluchtwahrscheinlichkeit nimmt exponentiell mit der Tiefe ab. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Grundbeschaltung und Linearität im DC-Mode OE 11.14 SS 2008 Zur Erzeugung der Stufenspannungen ohmsche Widerstandskette, über der die Hochspannung geteilt wird. Anodenstrom = verstärkter Kathodenstrom fließt über Messwiderstand RL ab. Photomultiplier nur linear, wenn Kettenstrom sehr groß (Faktor ≥ 100) gegen Anodenstrom ist Bei stark pulsierender Bestrahlung werden die letzten Kettenwiderstände kapazitiv abgestützt. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Photon counting (Photonenzählen) OE 11.15 SS 2008 Antwort auf einen 0,5 ns Impuls Ladungsimpuls am PM-Ausgang als Antwort eines Bestrahlungspulses, der durch eine DeltaFunktion beschrieben wird (u.U. eines Photons) Transitzeit ≥ 1 ns, abhängig von PM-Struktur und Hochspannung, Impulsbreite – einige ns Transitzeit – mittlere Zeit nach Delta-Erregung bis zum Auftreten eines Ausgangsimpulses Impulsform abhängig von RC-Beschaltung des Ausgangs: RLCL << Lichtpulsbreite – formgetreue Wiedergabe Impulsbreite durch Laufzeitunterschiede Photonenzählen, wenn 1/(RLCL) >> Photonenrate Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Photon counting (Photonenzählen) OE 11.16 SS 2008 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. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 PMT-Anwendungen z.B. als Röntgendetektoren in Medizintechnik Homeland Security OE 11.17 SS 2008 z.B. als Detektoren, wenn es extrem wenig Licht gibt. Dabei direkte Konkurrenz mit APDs Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 OE 11.18 SS 2008 I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. Einleitung Physikalische Grundlagen der Optoelektronik Herstellungstechnologien Halbleiterleuchtdioden Optik in Halbleiterbauelementen Laserdioden Betrieb von Leucht- und Laserdioden Quantendetektoren VIII.1 pn-Photodioden VIII.2 pin-Photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier Thermische Detektoren Nachweisgrenzen und Rauschen Bildsensoren Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 OE 11.19 SS 2008 Prinzip thermischer Detektoren Temperatur- Φ J C K änderung ∆T TemperaturSensor 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. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Leistungsbilanz des thermischen Detektors d( ∆T) C = α ⋅ Φ − G ⋅ ∆T dt Φ = Φ 0 + Φ cos ( ωt ) Bilanzgleichung (α ist hier der dimensionslose Absorptionsgrad) modulierte Strahlungsleistung Lösung der Differentialgleichung ∆T = ( ∆T) ω ⋅ cos(ω⋅ t + ϕ) ( ∆T)ω = α ⋅ Φω 2 2 G +ω C ω⋅ C ϕ = c tan G C τT = G 2 = OE 11.20 SS 2008 1 2 1 + ω τT 2 α ⋅ Φω G Temperaturamplitude Phasenverschiebung Thermische Zeitkonstante Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Seebeck-Effekt OE 11.21 SS 2008 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 − T1 ) = αS,12 ⋅ ∆T Seebeck-Koeffizient αS 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 BiTeO3. Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 OE 11.22 SS 2008 Optimierung von Thermosäulen Optimierung: 1. großer Seebeck-Koeffizient αS 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 αS2 / κ relativ klein für Metalle, nicht nur wegen der kleinen Seebeck-Koeffizienten sonder auch wegen des Zusammenhangs κ/(σT)=LLorenz (Wiedemann-Franz). Bestes thermoelektrisches Material – hoch dotierte Halbleiter, z.B. Bi2Te3. 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 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 OE 11.23 SS 2008 Eigenschaften von Thermosäulen Herstellung meist mit Dünnfilmtechnik: Thermoelektrische Materialen aufgedampft auf einer sehr dünnen isolierenden Membran aus Al2O3 oder PTFE und betrieben unter Schutzgas (Ar) Typisch 12 –120 Kontakte, aktive Fläche von 0,2 x 2 mm2 bis etwa 28 mm2 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 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Bolometer - Spannungsempfindlichkeit OE 11.24 SS 2008 Bolometer – Widerstandselement mit großem Temperaturkoeffizienten αR in Dünnschichttechnik aufgebracht auf isolierendem Al2O3 oder SiO2 ∆U = I ⋅ ∆R = I ⋅ α R ⋅ R ⋅ ∆T (∆T)ω = bei eingeprägtem Strom I durch Temperaturänderung ∆T erzeugte Spannungsänderung ∆ U über Bolometer α ⋅ Φω G 2 + ω2 C2 α ⋅ αR ∆U = R ⋅I = 2 2 2 Φω G +ω C α αR ⋅ R ⋅ I / G 1 + ω2 τT 2 s= Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Bolometer OE 11.25 SS 2008 Für hohe Empfindlichkeit s nicht nur möglichst großer Temperaturkoeffizient αR 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 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Supraleitender Bolometer → IMS(M. Siegel) OE 11.26 SS 2008 - Einzelphotonenempfindlichkeit - Energieaufllösung ! Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Pyroelektrische Detektoren OE 11.27 SS 2008 Pyroelektrisches Material besitzt niedrige kristalline Symmetrie und eine spontane elektrische Polarisation. Signal nur mit Wechsellicht! 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! Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 Einsatz und Betrieb pyroelektrischer Empfänger OE 11.28 SS 2008 Schaffung eines breitbandigen RadiometerMesskopfes 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 105 – 1011 Ω und nachgeschaltetem FETSourcefolger (Impedanzwandler) Anwendung in Bewegungsmeldern (Alarmanlagen), Taudetektoren, InfrarotBildtechnik, IR-Spektroskopie Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825 OE 11.29 SS 2008 Golay-Zelle Schematische Darstellung einer Golayzelle - thermopneumatischer Detektor Fenster Piezoelement oder verstimmbarer Kondensator Gas hν 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 Universität Karlsruhe (TH) Research University founded 1825