Félvezető fotodetektorok

Szerkesztés alatt!

Elméleti összefoglaló

Bevezetés

Manapság bármilyen berendezést, vagy készüléket tekintünk is, annak működtetése szinte elképzelhetetlen félvezető optikai detektorok nélkül. Gondoljunk csak a háztartási elektronika majd minden készülékébe beépített infravörös vevőegységre, a képfelvevő eszközökre, vagy akár a hőérzékelő elemekre hőfokmérő- és szabályzó egységekben, az ipari alkalmazásokról nem is beszélve. Az optikai detektorok skálája igen széles, érzékelési tartományuk a távoli infravöröstől az ultraibolyáig terjed. Azt mondhatnánk, hogy tulajdonképpen minden optikai sugárzást kibocsátó elemhez kifejlesztettek neki megfelelő detektort is.

Mivel az optikai detektorok felépítése, tulajdonságai, és egyéb paraméterei rendkívül sokoldalúak, egy hallgatói mérés során még felsorolásuk is lehetetlen. Ezért a mérés célja az, hogy ismeretet adjon egy-két, speciális tulajdonságokkal rendelkező detektortípusról. Ezek közelebbi vizsgálata megadja a módszert arra, hogyan kezdjük az ismerkedést immár tetszőleges típusú detektorral. Mielőtt a mérésben szereplő eszközök ismertetésére sor kerülne, szükséges néhány általánosan használt alapfogalom ismertetése.

Alapfogalmak

Minden anyag rendelkezik valamilyen - zérustól eltérő - belső energiával,- vagyis az őket felépítő atomok és molekulák mozgásban vannak. Mozgásuk során egymásra kölcsönhatnak (ütközések, kötések, stb. révén), így az atomok elemi töltéseinek gyorsulása van, miközben elektromágneses sugárzást bocsátanak ki.

Egy tökéletes sugárforrás - ún. feketetest - elektromágneses emisszióját a Planck-törvény írja le:

szerkesztés alatt

Érdemes megjegyezni, hogy a félvezető eszközökben az áramot kétféle hatás alakítja ki, melyekkel a teljes j áramsűrűség elektronokra és lyukakra vektoriális formában):

képlet

Az egyenletek első tagja a töltéshordozó-koncentráció eltérésből eredő gradiens okozta diffúziót írja le. A D diffúziós állandó kifejezése az ún. Einstein-összefüggéssel lehetséges:

képlet

Az áramsűrűség másik összetevője a külső E térerősség hatására létrejövő ún. drift, mely a vezetőképességgel kifejezve:

képlet

Detektálási mechanizmusok

A két alapvető detektálási mód a fotokonduktív és a fotovoltaikus, mindkettő a belső fotoeffektuson alapul.

A fotokonduktív detektor elektronjai megfelelő energiájú foton hatására gerjesztődnek, vagyis nő a vezetésben résztvevő töltéshordozók koncentrációja, így az eszköz vezetőképessége változik:

képlet

Fotovoltaikus esetben a beérkező fotonok hatására a p-n átmenetben töltéshordozó párok keletkeznek, és az elektronok a p-rétegből az n-rétegbe, a lyukak az n-ből a p-rétegbe vándorolnak, a kiürített réteg által létrehozott elektromos tér hatására. Ennek következtében megváltozik a p-n átmenet feszültség-áram karakterisztikája a 6. ábrának megfelelően.