Fényforrások Fény (foton) kibocsátás: elektromos töltések sebességváltozása révén. Termikus (fekete) sugárzó: magas hőmérséklet → foton emisszió Elektromos kisülés: E hatására gáztérben ütközési ionizáció Félvezető fényforrás: injekciós elektrolumineszcencia Lézer (koherens): indukált emisszió + koherens erősítés Termikus fényforrás:
L (λ )
• Abszolút fekete test: Stefan-Boltzmann-tv. M tot [Wm −2 ] = σ T 4 Wien-tv. λmaxT = 2898 [µm K ] Planck-tv.
L (λ ) =
2 c2h
λ5 (e hc/λ k T − 1) B
1
• Izzólámpa (W-halogén lámpa): szürkesugárzó (IR-tartalom kisebb) kvarc búra; 2700-3200 (3600) K színhőmérséklet (élettartam fordítottan arányos); 3, 5 Pki ~ U be
Kisülési (spektrál-) lámpa: alapgáz + adalékolás + 2 elektróda (W) Működés: I → katódból termikus elektronemisszió, U (E) → ütközési ionizáció (plazma), másodlagos emisszió: katódba becsapódó ⊕ ionok.
• Alacsony nyomású: rekombináció valószínűsége kicsi → parázs (glimm-) kisülés (állandó U és J, kis T) neon (hélium) töltés: hideg elektródás piros (narancs) kisülés fluoreszcens lámpa: kisülés + fluoreszkáló réteg (P) üvegen (UV gátlás)
• Magas nyomású: nyomás – gyártástól nagy vagy működés közben nő nagy E → másodlagos termikus emisszió (T nő) → ívkisülés rövid (kompakt) ívlámpa: 1-15 mm elektródaköz (Hg, Xe) fém-halid lámpa: 5-14 mm, 5600 K, kis kibocsátott hő (pl. vetítő) hosszú ívlámpa: (Kr, Xe) UV-IR, 2-5 kW teljesítmény (pl. pumpálás)
2
• Spektrállámpa: + keskeny sávszűrő (interferenciaszűrő) → spektroszkópia, fluoreszcens mikroszkópia, orvosi, kémiai analízis nagynyomású Hg-ívlámpa:
3
Félvezető fényforrás: nyitóirányban előfeszített p-n átmenet → elektron–lyuk pár generálás → nagy számú spontán rekombináció (indukált elektrolumineszcencia). light emitting diode (LED): V >Vth
semiconductor optical amplifier (SOA): foton-indukált emisszió
semiconductor injection laser SOA+visszacsatolás
V
4
• LED: töltéshordozó-injekció hatására kialakuló foton fluxus (dN p /d t ) : Φ p = ηi wA (∆n / τ ) = wA (∆n / τ r ) = ηi iinj /e
belső kvantumhatásfok térfogat
(η i = τ / τ r )
rekombinációs ráta (sugárzó)
Spektrális (foton)sűrűség [s–1Hz–1m–3]:
∆ν FWHM ≈
1,8 k B T h
Energia diagram: spontán emisszió pumpált félvezető T=0K
T>0K
5
LED paraméterek: Kimenő fluxus: Φo = η eΦ p = η eηi iinj /e = η ex iinj /e transzmissziós és külső hatásfok Kimenő teljesítmény: Po = hν Φo Meredekség: ℜ = Po / iinj = ηex (1,24 / λo [µm ]) Spektrális eloszlás:
ℜ
Reakcióidő (response time) ~ τr ≈ 1-50 ns Eszköz kialakítások: felületi v. élsugárzó 6
• SOA: töltéshordozó-injekció hatására kialakuló inverz populáció → foton-indukált emisszió. Előnyök: integrálható, kis méret, kis reakcióidő (~10 THz sávszélesség). Hátrányok: nagy becsatolási veszteség (3-5 dB/oldal), T instabilitás, polarizáció-érzékeny.
SOA paraméterek: Erősítés: foton–töltéshordozó kölcsönhatás, ha hν > E g → abszorpció → elektron–lyuk pár generálás → indukált rekombináció → több foton → koherens optikai erősítés.
7
SOA pumpálás: → optikai pumpálás (hν > E g ) állandósult inverz populáció, ha sávbeli relaxációs idő<<sávközi relaxációs idő. → pumpálás árammal: nyitóirányú előfeszítés. Erősítés:
G = exp(γ p d ) G > 1, ha γ p > 0 csúcserősítési együttható: ∆n
JT =
J
el
ηiτ r
∆nT
γ p ≈ α − 1 átlátszósági − 1 = α áramsűrűség JT ∆nT pl. InGaAs SOA: T=300 K, τr=2,5 ns, ηi=0,5 l=2 µm, d=200 µm, ∆nT=1,25 1018 cm–3 → JT=3,2 104 A/cm2, iT=JT A=640 mA. Ha J =3,5 104 A/cm2 → G≈3.
8
J csökken, ha l csökken. Probléma: kis l-ből a töltéshordozók kidiffundálnak. Megoldás: JT csökkentése heterostruktúrás félvezetővel: pl. p-p-n kettős heteroátmenet: Eg2 < Eg1 = Eg3 Egyensúlyban az Ef Fermi-szintek kiegyenlítődnek → a vezetési sáv élesen csökken a p-p határon, a vegyérték sáv élesen csökken a p-n határon. Nyitóirányú előfeszítés → n felől injektált kisebbségi elektronok nem jutnak át a p-p potenciálgáton, p felől injektált kisebbségi lyukak nem jutnak át a p-n potenciálgáton → közös tartományban maradnak → rekombinációs centrum, (τr csökken a középső tartományban) 9
• Félvezető lézer: töltéshordozó-injekció → inverz populáció → foton-indukált, erősített emisszió + visszacsatolás → lézer oszcilláció.
Lézerdióda paraméterek: Erősítés: γ p ≈ α ( J / J T − 1) 2
n −1 1 1 Visszacsatolás: R = , α m = ln d R n +1 nGaAs=3,6 → R=0,32
Rezonátor veszteség: reflexiós (αm), töltéshord. abszorpció/szóródás (αs), töltéshord.+fotonok átmeneti tartományban tartása (confinement, Γ) 1 α r = (α s + α m ) Γ → széles-tartományú, erősítésvezetett, törésmutató-vezetett típus:
homoátmenet
heteroátmenet
10
αr + α JT α Kimenő fluxus: Φo = ηeΦ p = ηeηi (i − ith ) /e Küszöbáram: J th =
emissziós hatásfok Kimenő teljesítmény: Po = hν Φo Differenciális meredekség: ℜ=
d Po 1,24 1,24 = ηeηi = ηd λo [µm ] λo [µm ] di
differenciális kvantumhatásfok ℜ
11
Fotodetektorok Fotodetektor: fotonszámot (fluxust) v. optikai teljesítményt mér az elnyelt fotonok energiájának konverziójával. (Foto)termikus det. foton → hő (lassú, kis hatásfok) Fotokémiai det. foton → kémiai reakció (film) Fotoelektromos det. foton → mobil töltéshordozó → E hatására áram Fotoeffektus: külső – fotoelektron emisszió, belső – fotovezetés fém
félvezető
12
Fotoelektron emisszió: fotokatód, fotoelektron cső, fotosokszorozó (másodlagos emisszió), mikrocsatornás lemez (MCP), képerősítő (MCP + elektrolumineszcens foszfor réteg)
13
Fotokonduktivitás:
Foton abszorpció → elektron–lyuk pár generálás → E hatására transzport. Nagy E → ütközési ionizáció → belső erősítés (lavina fotodióda – APD).
Félvezető fotodetektorok tulajdonságai: • Kvantumhatásfok: η = (1 − R ) ζ [1 − exp(−αd )], 0 < η < 1 felületi reflexió nem rekombinálódó töltéshord. párok aránya
behatolási mélység abszorpciós tényező
η = f (λ ), λmax = h c/ E g
• Meredekség: i p = η qΦ p = η G e Φ p =
λ [µm ] P = Gη 0 P = ℜP hf 1,24
ηGe
(responsivity) fotoáram foton fluxus erősítés optikai teljesítmény
14
• Reakcióidő (response time) – áthaladási idő szóródás q i (t ) = − v(t ) w
i (t )V d t = − qE d x E = V /w, v(t ) = d x /d t
Elektron–lyuk pár generálás x-ben:
N számú, 0<x<w között egyenletesen eloszló foton által generált elektron–lyuk párok szállította áram és áthaladási idő szóródás:
ve = µ e E , v h = µ h E
q=e
vh x v w− x +e e =e w vh w ve
τe
τh 15
Detektor típusok: • Fotokonduktor: ip vagy up= ip RL érzékelés. Állandósult állapot: rekombináció = generáció ∆n / τ = η Φ p /( wA) fotoelektron koncentráció rekombinációs élettartam térfogat eητ ( µ e + µ h ) Φp τ wA i p ≈ eη Φ p = eη GΦ p τe J p = ∆σ E , µ h << µ e , τ e = w/ve ≈ 10 −8 s
∆σ = e ∆n( µ e + µ h ) =
16
• Fotodióda: gyorsabb, mint a fotovezető, de erősítés nélkül. p-n fotodióda (InGaAs, InGaAsP; η ≈0,6-0,8) Az érzékelési tartomány értelmezése:
általános i-V karakterisztika:
17
p-n fotodióda üzemmódok: szakadás (fotovoltaikus):
rövidre zárt:
záróirányú (fotokonduktív):
18
p-i-n fotodióda – intrinsic réteg a kiürített tartomány növelésére: → fényérzékeny tartomány nő, → átmeneti kapacitás csökken (de áthaladási idő nő), → drift hossz nő (gyorsabb transzport) a diffúziós hossz rovására. Leggyakoribb anyag: Si (λamx≈1,1 µm, η ≈1)
19
• Mátrix detektorok: charge coupled device (CCD) töltések kiléptetése többfázisú órajellel (“vödörlánc”) → integrálási idő → pixelméret/-szám → dinamika-tartomány (lineáris válasz) i p2 → jel/zaj viszony: SNR ≡ 2 σ (i p ) min. detektálható jel: SNR=1 → anti-blooming → full-frame → CTE (charge transfer effifiency)
20
• Tipikus CCD vonaldetektor és órajelei: korrelált kettős mintavétel
MCLK
φ1 φ2
5T
φAB
5T
T
φTG
5T
φPG
25T
5T
23T
φRG Vout
D20
I1
I2
I3
D1
D2
D3
CDS1 CDS2
21
• Lavina fotodióda (APD): nagy záróirányú előfeszítés → nagy E a kiürített tartományban → foton hatására gyorsuló töltéshordozók ütközési ionizáció révén még több töltéshordozót szabadítanak fel. A ⊕ visszacsatolás problémái: → időigényes folyamat, → statisztikus → zaj nő, → instabil → lavinaletörés; megoldás: csak egyféle töltéshordozóval üzemeltetni.
többrétegű APD
22
