bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs08.pdf · dr. marius s,...

7
Dr. Marius S , tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015 Cursul 8 Detectorii termici Des , i exist˘ a un num˘ ar mare de detectori, aces , tia pot fi clasificat , i doar ˆ ın dou˘ a categorii: detectori termici s , i detectori fotoelectrici. ˆ In continuare se vor prezenta caracteristicile generale ale acestor tipuri de detectori. ˆ In cazul detectorilor termici, intensitatea fasciculului incident de m˘ asurat produce o cres , tere proport , ional˘ a a temperaturii materialului din care este confect , ionat detectorul. Dup˘ a o calibrare prealabil˘ a a de- tectorului poate fi determinat˘ a intensitatea fasciculului incident prin monitorizarea m˘ arimii fizice de- pendente de temperatur˘ a a materialului din care este construit detectorul. Cu toate c˘ a exist˘ a o mare varietate de detectori termici, ne vom referi aici doar la detectorii cu termopile s , i la cei piroelectrici, frecvent utilizat , ın zilele noastre ˆ ın laboratoarele de spectroscopie optic˘ a. Figura 1: Prezentarea schematic˘ a a unei termopile. Detectorul cu termopil˘a este prezentat˘ a schematic ˆ ın figura (1). Atunci cˆ and suprafat , ınnegrit˘ aa detectorului este iluminat˘ a are loc o cres , tere a temperaturii acesteia care este monitorizat˘ a de un termocuplu atas , at suprafet , ei (termocuplul este o junct , iune ˆ ıntre dou˘ a fire metalice diferite). Ca urmare a efectului Seebeck, orice cres , tere a temperaturii junct , iunii metalice a termocuplului induce o diferent , ˘ a de potent , ial la capetele acestuia. Aceast˘ a tensiune electromotoare indus˘ a este proport , ional˘ a cu temperatura s , i, prin uramre, este cvasiproport , ional˘ a cu puterea fasciculului incident care ajunge pe suprafat , ınnegrit˘ a a detectorului. Avantajul principal al detectorului cu termopil˘ a const˘ ın faptul a r˘ aspunsul s˘ au este aproape independent de lungimea de und˘ a a fasciculului incident, deoarece absorbant , a suprafet , ei ˆ ınnegrite nu depinde substant , ial de lungimea de und˘ a. Acest lucru se poate observa ˆ ın figura (2) care prezint˘ a dependent , a r˘ aspunsului detectorului ˆ ın funct , ie de lungimea de und˘ a. O alt˘ a caracteristic˘ a important˘ a a termopilei este c˘ a poate fi folosit˘ a la m˘ asurarea unor fascicule de lumin˘ a de intensitate mare datorit˘ a rezistent , ei ridicate a suprafet , ei ˆ ınnegrite folosite. Pe de alt˘ a parte, deoarece funct , ionarea termopilei se bazeaz˘ a pe efecte termice, principalul dezavantaj al acesteia este a constanta de timp al detectorului cu termopil˘ a estre relativ mare (de ordinul zecilor de milisecunde). Tabelul (1) prezint˘ a valorile parametrilor caracteristici ale unei termopile. Detectorul piroelectric se bazeaz˘ a pe dependent , a de temperatur˘ a a polariz˘ arii electrice a unui material feroelectric. Figura (3) prezint˘ a o dependet , ˘ a tipic˘ a de temperatur˘ a a polariz˘ arii spontane P a unui material feroelectric. ˆ In cazul detectorului piroelectric, fasciculul de lumin˘ a de m˘ asurat este focalizat Facultatea de Fizic˘ a, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 1

Upload: others

Post on 02-Sep-2019

17 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Cursul 8

Detectorii termici

Des, i exista un numar mare de detectori, aces,tia pot fi clasificat, i doar ın doua categorii: detectoritermici s, i detectori fotoelectrici. In continuare se vor prezenta caracteristicile generale ale acestortipuri de detectori.

In cazul detectorilor termici, intensitatea fasciculului incident de masurat produce o cres,tere proport, ionalaa temperaturii materialului din care este confect, ionat detectorul. Dupa o calibrare prealabila a de-tectorului poate fi determinata intensitatea fasciculului incident prin monitorizarea marimii fizice de-pendente de temperatura a materialului din care este construit detectorul. Cu toate ca exista o marevarietate de detectori termici, ne vom referi aici doar la detectorii cu termopile s, i la cei piroelectrici,frecvent utilizat, i ın zilele noastre ın laboratoarele de spectroscopie optica.

Figura 1: Prezentarea schematica a unei termopile.

Detectorul cu termopila este prezentata schematic ın figura (1). Atunci cand suprafat,a ınnegrita adetectorului este iluminata are loc o cres,tere a temperaturii acesteia care este monitorizata de untermocuplu atas,at suprafet,ei (termocuplul este o junct, iune ıntre doua fire metalice diferite). Caurmare a efectului Seebeck, orice cres,tere a temperaturii junct, iunii metalice a termocuplului induce odiferent, a de potent, ial la capetele acestuia. Aceasta tensiune electromotoare indusa este proport, ionalacu temperatura s, i, prin uramre, este cvasiproport, ionala cu puterea fasciculului incident care ajunge pesuprafat,a ınnegrita a detectorului. Avantajul principal al detectorului cu termopila consta ın faptulca raspunsul sau este aproape independent de lungimea de unda a fasciculului incident, deoareceabsorbant,a suprafet,ei ınnegrite nu depinde substant, ial de lungimea de unda. Acest lucru se poateobserva ın figura (2) care prezinta dependent,a raspunsului detectorului ın funct, ie de lungimea de unda.O alta caracteristica importanta a termopilei este ca poate fi folosita la masurarea unor fascicule delumina de intensitate mare datorita rezistent,ei ridicate a suprafet,ei ınnegrite folosite. Pe de alta parte,deoarece funct, ionarea termopilei se bazeaza pe efecte termice, principalul dezavantaj al acesteia esteca constanta de timp al detectorului cu termopila estre relativ mare (de ordinul zecilor de milisecunde).Tabelul (1) prezinta valorile parametrilor caracteristici ale unei termopile.

Detectorul piroelectric se bazeaza pe dependent,a de temperatura a polarizarii electrice a unui materialferoelectric. Figura (3) prezinta o dependet, a tipica de temperatura a polarizarii spontane P a unuimaterial feroelectric. In cazul detectorului piroelectric, fasciculul de lumina de masurat este focalizat

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 1

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 2: Dependent,a de lungimea de unda a raspunsului unui detector tipic cu termopila.

direct pe materialul feroelectric sau pe suprafat,a ınnegrita care este ın contact termic acesta. Pen-tru valori ale temperaturii sub valoarea critica (T < Tc), cristalul feroelectric prezinta o polarizarespontana (P 6= 0), care scade cu cres,terea temperaturii acestuia. Prin urmare, cres,terea temperaturiicristalului datorita absorbt, iei luminii incidente modifica valoarea polarizarii spontane. Daca materi-alului feroelectric i se atas,eaza doi electrozi, se constata ca variat, ia ın timp a temperaturii (dT/dt) vainduce un curent electric, I, dat de relat, ia:

Figura 3: Polarizarea spontana ın funct, ie de temperatura pentru un detector piroelectric tipic.

I = p(T )AdTdt

(1)

unde p(T ) este coeficientul piroelectric pentru o temperatura data, T , iar A este aria suprafet,eidetectorului. Prin urmare, curentul indus ın detectorul piroelectric depinde de viteza cu care are locschimbarea de temperatura, fat, a de cazul precedent al termopilei ın care curentul sau tensiunea indusadepindea de atingerea valorii maxime (stat, ionare). La fel ca ın cazul termopilei, datorita suprafat,eiınnegrite folosite pentru a absorbi fasciculul de masurat, detectorul piroelectric poate fi folosit pe undomeniu foarte larg de lungimi de unda, as,a cum rezulta din figura (4) unde este prezentata dependent,ade lungimea de unda a raspunsului unui detector piroelectric. Valorile parametrilor caracteristici aleacestui tip de detector sunt prezentate ın tabelul (1). As,a cum se observa din tabel, aces,tia prezinta

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 2

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

valori ale capacitat, ii specifice de detect, ie similare cu cele ale termopilelor. Pe de alta parte, valorileconstantelor de timp ale detectorilor piroelectrici sunt cu cateva ordine de marime mai mici decat celeale celor cu termopile.1

Figura 4: Dependent,a de lungimea de unda a raspunsului ın cazul unui detector piroelectric tipic.

Detectori fotoelectrici

Detectorii fotoelectrici se bazeaza pe modificarea proprietat, ilor fizice ale materialului ca urmare aunor efecte cuantice – absorbt, ia de fotoni. Progresul tehnologic ınregistrat ın tehnologia de fabricat, iea semiconductoarelor a condus la utilizarea tot mai mare a detectorilor fotoelectrici. Atunci cand unfascicul de lumina de o anumita lungime de unda ajunge la detectorul fotoelectric s, i este absorbita deacesta, se modifica densitatea purtatorilor de sarcina (densitatea electronilor de conduct, ie s, i a golurilor)conducand la modificarea valorii conductivitat, ii electrice (rezistent,ei) a materialului semiconductor.Dupa o calibrare prealabila, se poate determina intensitatea fasciculului incident.

In funct, ie de natura materialului semiconductor folosit, detectorii fotoelectrici pot fi intrinseci sauextrinseci. Detectorii fotoelectrici intrinseci sunt construit, i din semiconductori puri, ın timp ce de-tectorii fotoelectrici extrinseci sunt construit, i din materiale semiconductoare dopate (prin adaugareacontrolata de impuritat, i ın timpul procesului de fabricat, ie). Diagrama schematica a nivelelor ener-getice prezentand mecanismul de excitare corespunzatoare celor doua tipuri de detectori fotoelectricisunt prezentate ın figura (5).

In cazul detectorului fotoelectric intrinsec, electronii excitat, i ca urmare a absorbt, iei de fotoni, parasescbanda de valent, a ajungand ın banda de conduct, ie. Astfel, conductivitatea electrica a semiconductoru-lui va cres,te datorita cres,terii densitat, ii purtatorilor de sarcina din banda de conduct, ie (electronii),respectiv de valent, a (golurile). Procesul de excitare va fi posibil cat timp energia fotonilor radiat, ieiincidente este mai mare decat largimea benzii interzise a semiconducorului. In cazul detectorilor ex-trinseci, electronii sau golurile sunt produse de radiat, ia incidenta formata din fotoni de energie multmai mica decat largimea benzii interzise a semiconductorului extrinsec din care este facut detectorul.In figura (5 b) se observa ca preznet,a impuritat, ilor ın semiconductor conduce la aparit, ia nivelelorenergetice donoare s, i/sau acceptoare ın interiorul benzii interzise.

Principala limitare a unui astfel de detector consta ın zgomotul produs de excitarea termica a purtatorilormobili de sarcina din banda de valent, a sau a electronilor de pe nivelele energetice caracteristice ion-ilor de impuritate. Daca detectorul prezinta un curent electric de fond (generat de detector ın lipsa

1Constantele de timp ale detectorilor piroelectrici moderni sunt mai mici de 100 ps.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 3

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 5: Mecanismele de excitare ın cazul detectorului fotoelectric a) intrinsec, respectiv b) extrinsec.

unui fascicul incident de lumina), atunci sensibilitatea detectorului va fi mica s, i, prin urmare, numaifasciculele intense de lumina vor putea produce modificari semnificative a conductivitat, ii electrice adetectorului. Pentru a reduce acest curent de fond, detectorii fotoelectrici sunt, de obicei, racit, i (deexemplu, cu azot lichid) ın timpul funct, ionarii.

Exista doua clase de detectori fotoelectrici: detectori cu fotoconduct,ie s, i detectori cu fotodiode.

Detectori cu fotoconduct, ie

Figura (6) prezinta schematic principiul de funct, ionare al unui detector cu fotoconduct, ie. Radiat, iaincidenta produce un curent electric a carui intensitate este proport, ionala cu intensitatea fascicululuiincident. Relat, ia de proport, ionalitate este determinata de faptul ca, ın cazul multor detectori, densi-tatea purtatorilor de sarcina ın starea stat, ionara este proport, ionala cu numarul de fotoni absorbit, i ınunitatea de timp, iar acesta este proport, ional cu puterea fasciculului incident.

Figura 6: Principiul de funct, ionare al unui detector cu fotocondcut, ie.

Figura (7) prezinta variat, ia detect, iei specifice, D∗, pentru cat, iva detectori cu fotoconduct, ie ın funct, iede lungimea de unda a radiat, iei incidente. Pentru comparat, ie, este prezentata s, i variat, ia detect, ieispecifice a unei termopile, respectiv a unui detector piroelectric obis,nuit ın funct, ie de lungimea de unda.As,a cum se observa din figura, detectorii cu fotocondct, ie prezinta o detect, ie aproape cu doua ordindede marime mai mare decat cea a detectorilor termici. Totus, i, principalul dezavantaj al detectorilor cufotoconduct, ie ıl constituie depenent,a puternica a detect, iei specifice de lungimea de unda a fascicululuiincident. In plus, detectorii cu fotoconduct, ie nu pot fi folosit, i pentru detectarea radiat, iei din domeniul

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 4

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

vizibil al spectrului, deoarece sensibilitatea lor de detect, ie prezinta o scadere brusca pentru valori alelungimii de unda mai mici de 1µm.

Figura 7: Dependent,a capacitat, ii specificie de detect, ie ın funct, ie de lungimea de unda a fascicululuiincident pentru cat, iva detectori cu fotoconduct, ie. Sunt indicate pe grafic valorile detect, iei specificecaracteristice detectorilor cu termopile, respectiv a celor piroelectrice.

Detectori cu fotodiode

Un alt tip de detectori bine-cunoscut, i din categoria detectorilor fotoelectrici sunt detectorii cu fotodi-ode. Aces,ti detectori pot fi clasificat, i ın doua grupe: fotodiode p-n s, i fotodiode cu avalans, a.

(a) Detectorul cu fotodioda p-n consta din doua materiale semiconductoare dopate: semiconductorulde tip p este dopat astfel ıncat sa creeze un exces de goluri, iar cel de tip n sa creeze un exces deelectroni de conduct, ie. La jonct, iunea p − n dintre aceste semicondcutoare, relat, ia ıntre curent s, itensiunea aplicata este:

I = IR

(e

eVkT − 1

)− 2eη

Popt

hν(2)

unde η este eficient,a cuantica a detectorului (numarul de purtatori de sarcina produs, i ın unitatea detimp ımpart, it, i la numarul de fotoni care ajung la detector ın aceeas, i unitate de timp), Popt este putereafasciculului incident (puterea optica), hν este energia fotonului incident, e este sarcina electronului,IR este intensitatea curentului electric generat ın interiorul jonct, iunii p − n ın absent,a iluminariidetectorului, iar V este tensiunea aplicata fotodiodei. Figura (8) prezinta curbele curent-tensiunecaracteristice diodei p − n cu siliciu pentru diferite valori ale puterii fasciculului incident folosindexpresia (2).

Figura (8) ne permite sa analizam cele doua regimuri de funct, ionare ale unei diode p − n. Pentruprimul regim de funct, ionare, tensiunea aplicata fotodiodei este negativa, astfel ca expresia (2) poatefi scrisa, ın aproximarea de ordinul ıntai, astfel:

I ≈ −IR − 2eηPopt

hν(3)

Aceasta expresie ne arata ca intensitatea semnalului (a fotocurentului) furnizat de fotodioda cres,teliniar cu puterea fasciculului incident. Pentru acest caz, ın care tensiunea electrica aplicata estenegativa, se spune ca fotodioda opereaza ın regim de fotoconduct,ie.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 5

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 8: Curbele I − V caracteristice pentru o fotodioda de tip p− n cu Si pentru diferite valori aleputerii fasciculului incident (P1 < P2 < P3 < P4 < P5 < P6). Sunt indicate cele doua regimuri defunct, ionare ale fotodetectorului.

Fotodiodele pot fi folosite s, i ın regim fotovoltaic, caz ın care fotodioda funct, ioneaza ca un circuitdeschis, astfel ıncat I = 0, iar din ecuat, ia (2) rezulta ca:

V =kT

eln

(2eηIR· Popt

hν+ 1

)(4)

In acest regim de funct, ionare, tensiunea electrica nu mai este proport, ionala cu puterea fascicululuiincident, ci prezinta o variat, ia logaritmica cu aceasta, iar constanta de timp a detectorului este deordinul nanosecundelor.

Figura 9: Sensibilitatea specifica de detect, ie pentru fotodioda cu germaniu (Ge), respectiv cu arsenurade indiu (InAs).

Figura (9) prezinta dependent,a detect, iei specifice, D∗, ın funct, ie de lungimea de unda a fascicululuiincident raportata pentru fotodioda cu germaniu, respectiv arsenura de indiu. Proprietat, ile principaleale acestor detectori sunt prezentate, pentru comparare, ın tabelul (1).

(b) Detectorul cu fotodioda ın avalans, a cont, ine o jonct, iune p−n intens dopata, care produce o curbare

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 6

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Tabela 1: Parametrii de baza pentru diferite tipuri de detectori.Domeniu Constanta D∗

Detectorul spectral de timp (cm ·Hz1/2 ·W−1)(µm)

Termopila 0,1-40 20 ms ≈ 1× 108

Detectorul piroelectric 0,1-40 20 ns - 100 ps ≈ 1× 108

Detectorul cu fotoconduct, ie 1-20 ≈ µs 1× 109 − 2× 1011

Fotodioda 0,8-4 ns 1× 1010 − 2× 1011

Fotodioda cu avalans, a 0,8-2 10 ps - 1 ns 1× 1010 − 2× 1012

Fotomultiplicatorul 0,1-1,5 0,5 - 5 ns -

puternica a benzii de valent, a, respectiv de conduct, ie ın apropierea jonct, iunii. Atunci cand o astfel dedioda este polarizata invers (adica, i se aplica o tensiune negativa), purtatorii de sarcina produs, i defasciculul incident care cade pe detector sunt puternic accelerat, i de campul electric indus ın jonct, iune.Aces,tia vor primi de la campul electric suficienta energie cinetica astfel ıncat sa produca noi perechielectron-gol ın urma ciocnirilor elastice cu alt, i atomi din semiconductor. Aceste procese de ciocnirepot avea loc de cateva ori, astfel ıncat absorbt, ia unui singur foton poate genera mai mult, i purtatoride sarcina. Numarul de astfel de purtatori de sarcina generat, i per foton absorbit este cunoscut sundenumirea de factor de multiplicare. Este us,or de observat ca factorul de multiplicare cres,te cu tensi-unea electrica aplicata fotodiodei (tensiunea de accelerare). Figura (10) prezinta variat, ia factorului demultiplicare cu tensiunea V aplicata fotodiodei (V0 este tensiunea de strapungere). Avantajul princi-pal pe care ıl prezinta acest detector ın comparat, ie cu detectorul cu fotodioda p−n este constanta detimp a acestora. In cazul fotodiodei cu avalans, a, purtatorii de sarcina sunt supus, i act, iunii unui campelectric intens ce produce o accelerare puternica a acestora, conducand astfel la un timp foarte scurtde traversare a jonct, iunii. Valorile constantelor de timp pentru detectorii cu fotodioda ın avalans, apornesc, de obicei, de la cateva zeci de picosecunde pana la o nanosecunda (adica, cu cateva ordine demarime mai mici decat ın cazul detectorilor cu fotodiode p − n). Principalul dezavantaj ıl constituiesuprafat,a lor mica folosita pentru detect, ie, datorita limitarilor tehnice (este dificil de fabricat jonct, iunip− n de mari dimensiuni dar puternic s, i uniform dopate).

Figura 10: Factorul de multiplicare ın funct, ie de tensiunea aplicata jonct, iunii pentru o fotodioda cuavelans, a.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 7