Cistopis_ detektory .pdf - FBMI

Detektory optického záření
Vrbová, Jelínková, Gavrilov, Úvod do laserové techniky,
ČVUT FJFI, 1994
Kenyon, The light fantastic, Oxford
Goldman, Lasers in Medicine, kapitola Optická a tepelná
dozimetrie

Zjišťování optického záření :
v daném místě
v daném čase
Přímá detekce : frekvence vlny stejná s
rezonanční frekvencí obvodu připojeného
k anténě (pro opt. záření nevhodné,
anténa velikosti mikrometrů)
Nepřímá detekce : založena na absorpci
záření a přeměně vnitřní energie
kvantové soustavy na energii tepelnou,
elektrickou nebo chemickou.

Základní parametry optických detektorů
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,
spektrální charakteristika)
DETEKTIVITA – minimální výkon optického
záření je úměrný druhé odmocnině ze šířky
frekvenčního pásma detekčního zařízení
P min = f/D [W -1 Hz 1/2 ]
U většiny plošných detektorů je minimální
detekovatelný výkon P min úměrný také druhé
odmocnině z plošného obsahu S fotocitlivé
plochy detektoru
P min = f S/D [W -1 mHz 1/2 ]

Základní parametry optických detektorů
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,
spektrální charakteristika)
KONVERZNÍ ÚČINNOST – poměr
výsledné (využité energie) k energii do
procesu vstupující
Je li detektor založen na fotoeletrickém
jevu, pak se namísto konverzní účinnosti
uvádí kvantová účinnost, tj. poměr počtu
uvolněných fotoelektronů k počtu fotonů
záření dopadajích na fotokatodu

Základní parametry optických detektorů
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,
spektrální charakteristika)
ČASOVÁ ODEZVA – detektoru je časový
interval, za který se podstatně změní výstupní
signál detektoru, jestliže se na počátku změnila
skokem intenzita signálu dopadajícího na
detektor
SPEKTRÁLNÍ CHARAKTERISTIKA – je závislost
výstupní veličiny detektoru optického záření na
frekvenci (vln. délce) dopadajícího optického
záření

TEPELNÉ DETEKTORY
Kalorimetr teplo
Termočlánek termoel. napětí
Bolometr změna el. vodivosti
Termistor změna el. vodivosti
Pyroelektrický detektor změna polarizace
Pyromagnetický detektor změna permeability
Golayova cela tepelná roztažnost plynu
Evaporograf kondenzované páry na tenké membráně
Tekuté krystaly změna optických vlastností
Termionický detektor změna rychlosti emise z katody

TEPELNÉ DETEKTORY = Fototermální detektory
Založené na absorpci dopadajícího světla povrchem černého tělesa „blackbody“ (tj. 100%
absorpce) a měření výsledného nárůstu teploty povrchu konverzí do elektrického signálu.
Hlavní výhodou takovýchto detektorů je že mají téměř plochou spektrální odezvu v širokém
rozsahu vlnových délek, nezávisí na charakteristikách pulzu dopadajícího světla, a mohou být
použity pro vysoké hodnoty výkonu.
Obráceně, mají pomalou časovou odezvu (což limituje jejich užití když se mění světlo na
srovnatelné časové škále) a relativně špatnou citlivost. Jsou tudíž nejčastěji používány pro
měření středního (průměrného) výkonu laserů. Citlivé prvky mohou být různých rozměrů a
tvaru pro různé aplikace a detektorové hlavy jsou často napojeny na kabel vzdáleného čtecího
zařízení, což dává flexibilitu v umístění detektoru.

TEPELNÉ DETEKTORY- fotoodpor
založen na vnitřním fotoelektrickém jevu
tvořen Si nebo Ge destičkou s naneseným
kovem ve tvaru meandru
elektrický odpor se snižuje se zvyšující se
intenzitou dopadajícího světla
lze detekovat VIS, IR, UV – v závislosti na
použitém materiálu
velká citlivost, nízká cena, dlouhá doba
odezvy, velká teplotní závislost
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
Jsou založeny na přeměně optického záření na
elektrickou energii (fotovodivostní změny,
fotodielektrický jev – tj. změně permitivity excitací
atomů, nebo na vnitřním nebo vnějším fotoelektrickém
jevu)
Vnější fotoelektrický jev – je emise elektronů z
pevných látek a kapalin a je vyvolána absorpcí záření
Vnitřní fotoelektrický jev – je změna populace
elektronových energetických hladin v pevné látce –
dochází k ní po absorpci optického záření – jedná se o
přirůstek počtu uvolňovaných elektronů

FOTOELEKTRICKÝ JEV
Fotoelektrický jev či fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony
uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku
absorpce elektromagnetického (např. rentgenové záření nebo viditelného
světla) látkou. Emitované elektrony jsou pak označovány jako
fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise
(fotoemise).
Pokud jev probíhá na povrchu látky, tzn. působením vnějšího
elektromagnetického záření se elektrony uvolňují do okolí látky, hovoří se o
vnějším fotoelektrickém jevu.
Fotoelektrický jev však může probíhat i uvnitř látky, kdy uvolněné elektrony
látku neopouští, ale zůstávají v ní jako vodivostní elektrony. V takovém
případě se hovoří o vnitřním fotoelektrickém jevu.

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ
FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR – zvětšení
vodivosti materiálu účinkem opt. záření- v
důsledku vnitřního fotoelektrického jevu. U
polovodičů. Spektrálně selektivní v pásmu 0.6
až 12 mikrometrů. Detektivita v rozmezí 10 12 až
10 15 W -1 Hz 1/2

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ,
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD
Fotovodiče (fotovodivostí detektory)
Základem je polovodič – aplikováno napětí. Ve
tmě mají vysoký odpor.
Foton, jehož energie je větší než energie
zakázaného pásu , dokáže vyrazit elektron z
valenčního do vodivostního pásu a zanechat za
sebou díru, čímž se produkují další nábojové
nosiče. Vln. délka fotonu musí být kratší než :
c
hc 1,24
[ m]
E E ( eV )
g g

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR,
CCD
FOTOKATODA – je základem vakuové
fotodiody, fotonásobiče,…Je založena na
vnějším fotoelektrickém jevu. Fotokatoda
je tvořena tenkou vrstvou materiálu.
Dopadající záření uvolňuje fotoelektron z
katody do vakua.

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR,
CCD
pro detekci velmi slabých signálů
Fotonásobič
scintilátor a fotokatoda přemění dopadající
foton na elektron
elektron je urychlován napětím mezi
dynodami a vyvolává na nich sekundární
emisi elektronů
po sérii zesílení dopadají elektrony na anodu
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství
zesílení až 10 8 , doba odezvy jednotky ns

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ
FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD
VAKUOVÁ FOTODIODA – skládá se z
fotokatody a anody. Elektrony uvolněné
zářením z fotokatody jsou urychlovány
přiloženým napětím. Časová odezva 0.1 ns.
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA- využívá vnitřní
fotoelektrický jev a jednosměrné vodivosti na
PN přechodu polovodičové diody. Působením
opt. záření vznikají v PN přechodu volné nosiče.
Proud v závěrném směru je je úměrný
intenzitě dopadajícího záření. Časová odezva
několik pikosekund.

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD
Fotodioda
založena na vnitřním fotoelektrickém jevu
polarizovaná v závěrném směru
pro detekci má pracovní bod ve 3. kvadrantu V-A charakteristiky
záření dopadá na PN přechod
vznik páru elektron - díra, který zvyšuje vodivost polovodiče
krátká doba odezvy (jednotky ps)
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství

FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ,
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA , LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD
SCHOTTKYHO FOTODIODA – měření slabých a
krátkých signálů. Podobné vlastnosti jako přechod PN
u polovodičů má i přechod kov- polovodič, který se
využívá u Schottkyho fotodiody. Mají velmi rychlou
odezvu. Schopné pracovat při frekvencích 100 GHz.
LAVINOVÝ DETEKTOR (fotodioda) - je polovodičová
součástka využívající vysokého elektrického pole k
urychlení volných nábojů na dostatečnou energii k
ionizaci atomů (tím dojde k lavinovým procesům) v
polovodiči a k zesílení fotoproudu. Mají velkou
detektivitu a krátkou časovou odezvu (10 -10 až 10 -11
s). Používají se k měření slabých a krátkých signálů.

Lavinová fotodioda
zesílení fotoproudu přiložením velkého závěrného
napětí
urychluje vzniklé nosiče tak, že produkují sekundární
elektrony
složitější konstrukce, kvalitní stabilizovaný zdroj napětí
rychlá odezva, vysoká citlivost, zesílení kolem 100
Absorpce se odehrává napříč šířkou slabě
dotované π-dotované vrstvy. Pak tedy
závěrný směr nabývá do bodu, kdy
elektrické pole přeteče přes p-vrstvu a
dosahuje přímo skrz slabě dotovanou πvrstvu.
Elektrony generované v π-vrstvě jsou
vmeteny do úzké oblasti elektrického pole
kolem p-n + přechodu, kde spustí lavinový
efekt.
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství

superCCD
CCD je akronym z anglického názvu
technologie Charge Coupled Device
neboli nábojově vázané prvky

CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt.
Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomudokáže převést některý z jeho elektronů
ze základního do tzv. Excitovaného stavu.
Odevzdá mu přitom energii E=ν.h, kde ν je frekvence fotonu (u viditelného světla v řádu stovek THz) a h je
tzv. Planckova konstanta.
U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou oxidu křemičitého SiO 2, který se
chová jako dokonalý elektrický izolant, takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč.
Na elektrody označené na obrázku
číslem 1 se přivede kladné napětí a na
CCD se nechá působit světlo.
Dopadající fotony excitují v polovodiči
elektrony, které jsou pak přitahovány ke
kladně nabitým elektrodám. Po
elektronech zbudou v polovodiči tzv.
díry, které vůči svému okolí vykazují
kladný náboj a ty jsou naopak
přitahovány elektrodou na spodku
CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku
znázorněny svislými tečkovanými
čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo
více fotonů, je u jeho elektrody
shromážděno více elektronů než u
pixelu vpravo.

DETEKTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ
Lidské oko
Fotodioda (fotovoltaické články)
CCD snímač
UV a IR detektory

Lidské oko
Nejstarší detektor optického záření
Spektrálně selektivní v pásmu vlnových
délek 400 až 800nm
Max citlivost na 555nm
Dva typy receptrorů (tyčinky a čípky)
Oko je adaptivní
Citlivost není konstantní

Dva typy receptorů :
Lidské oko
Tyčinky (průměr 2 mikrometry, počet 1.8 x 10 8 )
Čípky (průměr 4 mikrometry, počet 7 x 10 6 )
ČÍPKY TYČINKY
Převážně v oblasti žluté skvrny větší hustota mimo žlutou skvrnu
Malé zorné pole velké zorné pole
Velká ostrost vidění nižší ostrost vidění
Barevné vidění šedé (nebarevné) vidění
Nižší citlvost vyšší citlivost

FOTOČLÁNKY (= zdroj fotoelektrického napětí)
Příčiny vzniku fotoelektrického napětí :
Důsledkem nehomogenního ozáření krystalu
(difúzní elektromotorické napětí)
Důsledkem ozáření přechodu PN nebo přechodu
polovodič kov (Diodové fotoelektrické napětí)
Důsledkem fotopiezoelektrického jevu (za
přítomnosti tlaku)
Důsledkem fotomagnetického jevu (za
přítomnosti magnetického pole)
Tlakem dopadajícího optického záření (předávání
hybnosti záření elektronům v polovodičích)

OTÁZKY
1. Definice základních parametrů optických detektorů
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální
charakteristika)
2. Tepelné detektory
3. Fotoelektrické detektory (princip, představitelé)
4. Fotonásobič
5. Fotodiody (vč. Lavinové a Schottky)
6. Princip CCD
7. Vnitřní a vnější fotoelektriký jev