PROIECT Senzori optoelectronici.

Clasificare și aplicații

Cuprins:Capitolul 1...................................................................................................................................3Introducere în tehnologia fotodetectoarelor semiconductoare....................................................3

1.1. Scurta introducere a aplicațiilor fotodetecției...................................................................31.2. Considerații generale ale fotodetectorilor.........................................................................3

Capitolul 2...................................................................................................................................6Fotodetectori................................................................................................................................6

2.1. Caracteristicile fundamentale ale fotodetectorilor............................................................62.2.Clasificarea fotodetectorilor............................................................................................102.3.Mărimi caracteristice detectorilor....................................................................................102.4.Principalele procese ce stau la baza funcţionării fotodetectorilor...................................13

Capitolul 3.................................................................................................................................14Detectori fotoconductivi............................................................................................................14

3.1 Efectul fotoconductiv.......................................................................................................14Capitolul 4.................................................................................................................................17Detectori fotovoltaici.................................................................................................................17

4.1. Fotodioda........................................................................................................................174.2. Celulele solare................................................................................................................23

2

Capitolul 1

Introducere în tehnologia fotodetectoarelor semiconductoare

1.1. Scurta introducere a aplicațiilor fotodetecției Fotodetecția se gasește într-un număr foarte mare de sisteme industriale, profesionale și

de mare masă. Există numeroase aplicații printre care: comunicațiile prin fibră optică dar și în

spțtial liber, izolarea galvanică, celule solare, detectori de proximitate etc. Toate aceste aplicații

sunt bazate pe același proces: transformarea puterii optice într-un semnal electric, acesta fiind

necesar să fie cu atât mai mare, cu cât fluxul de fotoni este mai slab. Când informația trebuie să

fie transmisă cât mai rapid, cu viteze foarte mari, fotodetectorul trebuie să reacționeze foarte

repede. Aceste considerații de bază implică ca un număr de parametrii de performanță ceruți să

fie indepliniți, pentru a putea satisface cerințele aplicației destinate. Datorită acestui context, au

fost concepute o variație de structuri fotodetectoare: fotoconductori, fotodiode p-n și p-i-n,

fotodiode cu avalansa, fototranzistori, fotodiode Schottky, fotodiode MSM (metal-

semiconductor-metal). Domeniul lungimilor de undă relevante pentru aplicație, joacă și el un rol

important.

1.2. Considerații generale ale fotodetectorilor Orice dispozitiv care transformă semnalele luminoase din domeniul spectrului de radiaţie

optică în semnale electrice se numeşte detector foto-electronic sau mai simplu, fotodetector,

După cum se ştie spectrul radiaţiei optice este cuprins între şi 103m şi se

împarte în : (a) regiunea ultravioletă ( m < < 0,4µm); (b) domeniul vizibil (0,4m <

< 0,76µm); (c) spectrul infraroşu (0,76m < < 103µm). Principiul de funcţionare al

fotodetectorilor constă în absorbţia radiaţiei luminoase şi transformarea ei în alte forme de

energie. Din acest punct de vedere fotodetectorii se împart în două grupe mari: fotodetectori

termici în care absorbţia radiaţiei luminoase este însoţită de creşterea temperaturii sistemului

reţea cristalină - electroni şi fotodetectori electronici în care absorbţia radiaţiei optice determină

excitarea electronilor pe nivele energetice superioare. Fotodetectorii termici nu sînt selectivi

deoarece energia absorbită este transformată în energie termică. Fotodetectorii electronici sînt

selectivi deoarece ei răspund numai la acei fotoni a căror energie minima depăşeşte o anumită

3

energie de prag, de exemplu, lărgimea benzii interzise a semiconductorului. În detectorii termici

de radiaţie sînt utilizate acele proprietăţi ale solidelor care se modifică odată cu creşterea

temperaturii în urma absorbţiei radiaţiei luminoase. Din aceste motive detectorii termici au o

inerţie mult mai mare decât detectorii electronici de radiaţie optică.

La baza funcţionării detectorilor electronici de radiaţie stă efectul fotoelectric. Detectorii

de radiaţie optică care au la bază efectul fotoelectric au primit denumirea generală de

fotoelemente.

Dacă radiaţia incidentă în urma absorbţiei, determină ieşirea electronilor din solid şi

formarea unui flux de electroni între catod şi anod atunci această formă de transformare a

energiei luminoase se numeşte efect fotoelectric extern. Pe baza acestui efect s-au construit

diferite tipuri de celule fotoelectrice.

Excitarea internă a reţelei cristaline sub acţiunea radiaţiei absorbite care determină

trecerea electronilor din stările legate în stările libere poartă denumirea de efect fotoelectric

intern. Una din formele de manifestare a efectului fotoelectric intern constă în apariţia

purtătorilor de sarcină şi deci, în creşterea conductivităţii electrice a semiconductorului.

Modificarea conductivităţii electrice a semiconductorilor sub acţiunea radiaţiei

optice poartă denumirea de fotoconducţie iar detectorii de radiaţie construiţi pe baza acestui

fenomen se numesc fotorezistori.

O altă formă de manifestare a efectului fotoelectric intern în semiconductorii cu diferite

tipuri de neomogenităţi (contactul metal-semiconductor, joncţiunea p - n, semiconductorul cu

gradient de impurităţi etc.) constă în separarea purtătorilor de sarcină în câmpurile interne şi

apariţia unei tensiuni fotoelectromotoare - efectul fotovoltaic.

Dacă un semiconductor omogen este iluminat neuniform atunci şi generarea purtătorilor

de sarcină va fi neuniformă şi deci purtătorii de sarcină vor difuza pe direcţia descreşterii

concentraţiei. Datorită faptului că electronii şi golurile au mobilităţi diferite va apare o tensiune

fotoelectromotoare. Acest proces de apariţie a unei fototensiuni se numeşte fotoefect de difuzie

sau efect Dember.

Un efect fotovoltaic poate să apară într-un semiconductor atunci când perpendicular pe

direcţia de iluminare se aplică un câmp magnetic sau semiconductorul este deformat uniaxial. În

primul caz efectul se numeşte fotoelectromagnetic iar în al doilea caz — fotopiezoelectric. De

asemenea, este cunoscut şi efectul de apariţie a unei tensiuni fotoelectromotoare datorită

4

presiunii fotonilor. Acest efect se caracterizează printr-un timp de răspuns foarte mic (10-10 - lO-11

s) şi se deosebeşte esenţial de celelalte efecte fotoelectrice. Esenţa acestui fenomen constă în

aceea că sub acţiunea presiunii fotonilor apare o mişcare ordonată a purtătorilor de sarcină liberi

care determină apariţia unei tensiuni fotoelectromotoare pe direcţia de incidenţă a radiaţiei

optice.

Toate aceste efecte stau la baza realizării unei game foarte largi de fotodetectori cu

aplicaţii deosebite atât în procesele de automatizare şi control cât şi în sistemele optice de

comunicaţie sau în aparatura de măsură.

În acest capitol vor fi analizaţi numai acei fotodetectori care prezintă interes actual şi în

perspectivă atât în ce priveşte utilizarea lor ca elemente discrete cât şi ca părţi componente în

circuitele şi sistemele optoelectronice integrate.

5

Capitolul 2

Fotodetectori

2.1. Caracteristicile fundamentale ale fotodetectorilorCaracteristicile fundamentale ale fotodetectorilor sunt:

- sensibilitatea spectrală;- sensibilitatea integrală;- sensibilitatea în curent sau tensiune;- coeficientul de utilizare a radiaţiei luminoase;- fluxul luminos de prag sau detectivitatea;- caracteristica în regim tranzitoriu; -eficienţa cuantică;- pragul cuantic de sensibilitate;- constanta de timp;- caracteristica în frecvenţă;- caracteristici termice (coeficientul de temperatură şi puterea maximă de disipare admisă);- caracteristica energetică (luminoasă);- caracteristica curent – tensiune.

l Sensibilitatea spectrală:reprezintă răspunsul fotodetectorului sub acţiunea fluxului luminos monocromatic:

US

unde U este reacţia fotodetectorului determinată de fluxul luminos monocromatic Pentru fotodetectorii selectivi Sλ = f(λ) şi are o valoare maximă Sλm pentru o anumită

lungime de undă.Determinarea sensibilităţii spectrale prezintă o serie de dificultăţi şi de aceea se utilizează

noţiunea de sensibilitate spectrală relativă: mS

Ss

)(

şi reprezintă caracteristica spectrală a fotodetectorilor.

2 Sensibilitatea integrală: U

S ,

unde U reprezintă răspunsul fotodetectorului sub acţiunea fluxului luminos Ф cu o anumită compoziţie spectrală

Între cele două sensibilităţi S şi Sλ există o legătură bine definită,

6

SU dar

)( şi

00

)()( dSdUU iar mSsS )(

00

)()()( ddsSU m obţinem,

0

)(

)(

d

ds

SS om .

Se observă că sensibilitatea integrală a fotodetectorului depinde de densitatea spectrală Ф(λ) a sursei de radiaţie luminoasă.

3- Fluxul luminos efectiv:

0

)()( dsef

Coeficientul de utilizare a fluxului luminos de către fotodetector

d

ds

)(

)()(0

, mSS iar mS

Ss

)( şi obţinem,

SsS )( .

Dacă sunt cunoscute sensibilitatea integrală şi coeficientul de utilizare în raport cu o anumită sursă de radiaţie optică atunci se poate determina şi sensibilitatea spectrală a fotodetectorului în unităţi absolute.

4. Fluxul luminos de prag:

p este fluxul luminos minim care determină la ieşirea fotodetectorului un semnal

echivalent cu nivelul propriu de zgomot.

Fluxul luminos minim care poate fi detectat este limitat de anumite fluctuaţii numite zgomote.

La ieşirea fotodetectorului întotdeauna se poate detecta un semnal aleator atât ca amplitudine cât

şi ca frecvenţă cauzat de caracterul discret al proceselor fizice care au loc în fotodetector.

Zgomotele electrice sunt determinate de procesele aleatorii iar mărimea lor nu se poate prevedea

pentru un anumit moment (decât prin metode statistice).

Mărimea fluctuaţiei este evaluată prin dispersia ?2 adică abaterea medie pătratică a mărimii

aleatorii U de la valoarea medie U0 într-un interval de timp τ care este mult mai mare decât

perioada fluctuaţiilor

7

dtUUU 2

012 )(

Abaterea medie standard a semnalului la ieşirea fotodetectorului este 2U şi caracterizează

nivelul zgomotului.

Înlocuind în U

S , răspunsul fotodetectorului U cu nivelul de zgomot 2U ,obţinem pentru

fluxul luminos de prag , S

Up

2

.

Analog se defineşte pragul de flux monocromatic

S

Up

2

, .

Pragul de sensibilitate a fotodetectorilor depinde de suprafaţa detectorului A expusă la iluminare şi de frecvenţa f a amplificatorului utilizat la ieşirea fotodetectorului, iar pentru a elimina

aceste influienţe se defineşte pragul specific de sensibilitate

fAS

fA

U

psp

2

şi:

pragul specific spectral

fAS

fA

U

psp

,

2

Uneori se utilizează detectivitatea: 2

1

U

SD

p

şi detectivitatea specifică

A

DD

sp

1

care are ca unitate de măsură <D > = W-1 Hz1/2 cm sau <

D > = lm-1 Hz1/2 cm.

Analog detectivitatea spectrală: 2

1

U

SD

şi

detectivitatea spectrală specifică fADDsp

,

1 .

5 Caracteristica tranzitorie a fotodetectorului este reacţia fotodetectorului atunci când asupra lui acţionează un flux luminos unitar în treaptă: Ф(t) =1(t).

Pentru o caracteristică neliniară a fotodetectorului, depedenţa de timp a răspunsului este

descrisă de ecuaţia diferenţială: )()()( 0 ttStUt

U

iar dacă fluxul incident are forma

unei funcţii treaptă atunci rezolvând ecuaţia pentru 0t se obţine,

)1()()( 0)(1)(

t

ttteStStU

.

Mărimea poartă numele de conmstanta de timp a fotodetectorului.

Procesul tranzitoriu a fotodetectorului se termină

8

(tI S(t)

S0St (t)

t (t)

t

1

0.63

după două sau trei constante de timp. În general, constanta de timp se consideră ca fiind egală cu intervalul de timp în care semnalul la ieşirea fotodetectorului atinge 63% din valoarea sa staţionară.

Răspunsul fotodetectorului sub acţiunea unui impuls de flux luminos unitar Ф(t) = δ(t) poartă denumirea de caracteristică de impulsuri şi se notează cu Si(t).

Din ecuaţia )(.)( 0 tStUt

U

cu )()( tt funcţia delta, obţinem:

/0)()(

)()( titt

eS

tStU

.

Răspunsul fotodetectorului sub acţiunea unui flux luminos cu pulsaţia ω pentru semnalul de ieşire obţinem:

22

)(

001

)(

teStU

(avem tgθ = - ωτ iar (1 – ω2 τ2) -1/2 arată cum variază amplitudinea semnalului cu pulsaţia ω).

Depedenţa amplitudinii semnalului de frecvenţa fluxului luminos incident poartă denumirea de caracteristica de frecvenţă a fotodetectorului.Depedenţa diferenţei de fază θ dintre componenta armonică a semnalului la ieşire şi componenta armonică a fluxului luminos incident poartă denumirea de caracteristică de fază a fotodetectorului:tgθ = - ωτ.

În intervalul de temperatură de lucru al fotodetectorilor, unde funcţionează normal, nu apar fenomene ce determină modificări ireversibile ale caracteristicilor fotodetectorului.

Modificările caracteristicilor fotodetectorior într-un interval de temperaturi sunt de obicei sub formă de grafice în care se dă variaţia sensibilităţii sau a fotocurentului cu temperatura.Uneori fotodetectorii sunt caracterizaţi prin coeficientul de temperatură care exprimă variaţia

relativă a fotocurentului sau variaţia sensibilităţii atunci când temperatura variază cu 1oC. 6 Puterea de disipare maximă admisă limitează foarte mult regimul de funcţionare a fotodetectorilor. Dacă Tf este temperatura fotodetectorului şi Tm este temperatura mediului

ambiant, puterea disipată este:Pd = b (Tf – Tm)

unde b este o constantă.În regim staţionar, puterea primită de fotodetector Pp = Vf If trebuie să fie egală cu puterea

disipată: Pp = Vf If = b (Tf – Tm).

În general regimul termic de funcţionare a fotodetectorilor se face aproximativ, deoarece nu se cunosc cu precizie coeficientul de temperatură şi constanta b.7 Caracteristica energetică (luminoasă) a fotodetectorului: S = f(Ф) exprimă variaţia sensibilităţii integrale sau spectrale a fotodetectorului în funcţie de mărimea fluxului luminos incident. Uneori prin caracteristica energetică se înţelege depedenţa tensiunii sau a fotocurentului de la ieşire în funcţie de mărimea fluxului incident.8 Caracteristicile curent-tensiune: I = f(V)

9

atât la întuneric, cât şi în prezenţa iluminării, sunt determinate nu numai de procesele fizice care au loc în fotodetectori ci şi de construcţia şi geometria lor.

Caracteristica în tensiune exprimă legătura dintre semnalul la ieşire şi tensiunea de alimentare a fotodetectorului.

2.2.Clasificarea fotodetectorilorClasificare după principiul de funcţionare:

· detectori fotoelectrici: se bazează pe fenomenul fotoelectric· fotoconductori· celula fotovoltaică· semiconductori· fotodioda cu vid· fotomultiplicatorii· detectori termici:

- piroelectrici: dau un semnal t

TtPte

)(~)( ; pot măsura numai impulsuri, nu şi mărimi

constante- calorimetrici: Qabs = m c T şi y~T

- bolometre: ca detectorii calorimetrici doar că T devine R· clasificare după construcţie· clasificare după utilizare:· detectori bipol funcţional

· detectori multifuncţionali: x(t) = mărime radiometrică sau fotometrică, y(t) = mărime de tip electric: U, I, R

detectori:

-lenţi: 10-3-:- 103s

-rapizi: 10-9 -:- 10-3s

-ultra rapizi: 10-12-:- 10-9s

2.3.Mărimi caracteristice detectorilor

· responsivitatea:s = y / x pentru detectorul ideals = (y – yN) / x pentru detectorul real (cu zgomot) unde yN = zgomotul (pentru x = 0)

· responsivitatea relativă:sr = s / sref.

10

y(t)x(t)

xi yi

· responsivitatea spectrală:în intervalul (λ, λ+ ?λ) s(λ) = ?y(λ) / ?x(λ)

· constanta de timp τ:este timpul pentru care la un semnal tip treaptă, răspunsul devine 63% din valoarea maximă

· timpul de creştere ``rise –time``:tr = 2,3 τ - timpul pentru care la un semnal tip treaptă, răspunsul creşte de la 10% la 90%

din valoarea maximă

· timpul de cădere ``fall-time``:

tr = (t12 + …. + tn

2)1/2

fmax – fmin = B, B tr = 0,35

-1

2ln.10y

y(db) , putere P sau energie E

-1

2ln.20y

y (db), pentru y = tensiune U sau curent I

· zgomotul detectorilor: yN sau PN

· Iradianţa echivalentă zgomotului (semnalul echivalent de zgomot): y

yxNEI N

· Fluxul radiant echivalent zgomotului y

yPNEP n unde P este puterea radiantă,

(Nois Equivalent Power ), <NEP> = W (watt)

· Detectivitatea: D = 1 / NEP (W-1)

· Detectivitatea specifică (normalizată): D* = D(A, f) (A f)1/2 unde A = aria de detecţie

şi f = lărgimea benzii de frecvenţă de măsurare <D*> = W-1 m Hz1/2

- Detectivitatea specifică de detecţie: D** = D*(Ω)1/2 unde Ω = unghiul solid de detecţie

<D**> = W-1 m Hz1/2 Sr1/2

- Detectivitatea soectrală ),( DD

- Detectivitatea spectrală specifică, fADD )(

- Eficienţa cuantică sau randamentul cuantic: numărul de evenimente elementare/ nr. de fotoni incidenţi pe suprafaţă, ( )1( ; pentru o fotodiodă :

)/()()( qhcs , unde h constanta lu Plank, c viteza luminii, q sarcina elementară.· Liniaritatea unui detector:

Responsivitatea s trebuie să fie independentă de valoarea mărimii de intrare

11

1

2

y

yA

f

-3db

fmin fma

x

abaterea de la liniaritate a detectorului

în realitate avem: domeniul de liniaritate

- directivitatea detectorului: F.D.

- Rezoluţia spaţială.- Funcţia de transfer de modulaţie: MTF = (ymax – ymin) / (ymax + ymin) (atenuare la

frecvenţe spaţiale din ce în ce mai mari)

camerele de luat vederi: în funcţie de tubul

catodic avem,

redepirometypebazpilicon

RIsidicon

vizibilvidiccn

[

.

- Caracteristica în impulsuri:Răspunsul fotodetectorului Sub acţinea unui impuls de flux luminos unitar )()( tt

poartă numele de caracteristica în impulsuri şi se notează cu )(tSi : din ecuaţia

)()(/. 0 tStudtdu

Cu iadeltafunctt ')()( , rezultă

/10)()(

)()( eS

tStu itt

.

- Caracteristica în frecvenţă a fotodetectorului: reprezintă dependenţa amplitudinii semnaluli de frecvenţa fluxului luminos oncident. Răspunsul fotodetectorului sub acţiunea unui flux

luminos sinusoidal cu pulsaţia , pentru semnalul de ieşire se obţine ; 22

)(00

1)(

tieStu ,

12

x

s

x

s

xmin xmax

MTF

xcentru margine

tg , undefactorul 22

0

1

So arată cum variază amplitudinea sewmnalului cu

pulsaţia .

- Caracteristica de fază a fotodetectorului; ttg reprezintă dependenţa de fază dintre cxomponenta armonică a semnalului la ieşire şi componenta armonică a fluxului luminos incident.

2.4.Principalele procese ce stau la baza funcţionării fotodetectorilor

Procesul fizic Natura procesului Categoria de detector

Tipuri de detectori

Efectul fotoconductivEfectul fotovoltaic

Efectul fotoelectromagneticEfectul DemberAlte efecte

InternExcitarea de purtători adiţionali din banda de valenţă în banda de conducţie

Este posibilă amplificarea

cuantic

Detectori cu corp solid:-fotodiode cu joncţiuni p-n-fotodiode PIN-fotodiode cu avalanşă-fototranzistori-heterojoncţiuni-bariere Schottky

-fotoconductori intrinseci- detectori foto-electromagnetici

Efect fotoemisiv ExternElectronii excitaţi de fotoni sunt emişi la suprafaţa materialului fotoemisiv

Este posibilă amplificareacuantic

Fotomultiplicatori convenţionali şi cu afinitate electronică negativăFotodiodele cu vid

Fototuburi cu gaz, etc.Interacţii localizate Intern Filmul fotografic

Detectori cuantici de tip BloembergenSubstanţe luminiscente excitate în I.R.

Absorbţia radiaţiei de către reţea

InternInteracţii ale purtătorilor liberi

termic BolometreTermocuple şi termopileDetectori piroelectrici, etc.

Efecte parametrice InternInteracţii ale undelor electromagnetice

parametric Cristale neliniareJoncţiuni JosephsonFotodiode metal-metal, oxid-metal

13

Capitolul 3

Detectori fotoconductivi

3.1 Efectul fotoconductiv

Efectul fotoconductiv se manifestă prin creşterea conductivităţii unui material sub acţiunea radiaţiei incidente care crează purtători de sarcină în volumul materialului, astfel că în prezenţa unui câmp electric apare o densitate de curent determinată de concentraţiile de purtători în exces şi de mobilităţile acestora.

Timpul de răspuns este relativ lent (10 -2-:-10 -7 s), iar creşterea vitezei de răspuns peste aceste valori duce la scăderea câştigului, adică a numărului de purtători rezultaţi pentru fiecare foton absorbit.

Efectul fotoconductiv apare la numeroase materiale cristaline sau amorfe dar reprezentative sunt materialele semiconductoare.

La semiconductorii intrinseci efectul fotoconductiv se datoreşte apariţiei perechilor electroni-goluri sub acţiunea fotonilor incidenţi a căror energie depăşeşte energia benzii interzise a semiconductorului. Condiţia hυ Ei determină o lungime de undă limită λ0 = h c / Ei astfel

încât pentru lungimi de undă mai mari decât lungimea de undă limită efectul fotoconductiv nu se produce.

La semiconductorii extrinseci fotonii nu au suficientă energie pentru a produce perechi electroni-goluri, astfel că fotoexcitarea se face prin intermediul centrilor de impurităţi prezenţi în materialul semiconductor. Lungimea de undă critică este λ0 = h c / Eii unde Eii este energia de

ionizare a impurităţilor.

14

EV

EF

EV

EC

EF

EC

Ei

h

h < Ei

intrinsec extrinsec

Ub

h

material fotoconductiv

Tipul Semiconductorului

λ (μm) Ei = hc/λ0 (eV) Eii (eV) Tipul semiconductorului λ (μm)

Ei = hc/λ0 (eV)

Eii (eV)

Cd S 0,52 2,4 Ge: Cd 21 0,06Cd Se 0,69 1,8 Ge: Cu 30 0,041Cd Te 0,83 1,5 Ge: Zn 38 0,033Ga P 0,56 2,24 Ge: B 120 0,0104Ga As 0,92 1,35 Si: In 8 0,155Si 1,4 1,12 Si: Ga 17 0,072Ge 1,8 0,67 Si: Bi 18 0,0706Pb S 2,9 0,42 Si: Al 18 0,0685Pb Se 5,4 0,23 Si: As 23 0,0537In As 3,2 0,39 Si: P 28 0,045In Sb 5,4 0,23 Ge: Au 8,3 0,15Pbx Sn1-x Te 11 0,1 Ge:Hg 14 0,09

Hgx Cd1-x Te 12 0,1

Performanţele unor fotodetectori cu efect fotoconductiv intrinsec şi extrinsec utilizaţi în IR:

Tipul semiconductorul

ui

λ (μm)limite

λ (μm)tipică

Temperatur

a (oK)Eficienţa

cuantică (%)Timpul de

răspuns (s)Responsivit

atea (V/W)Rezistenţa

de

întuneric(Ω)

Pb S 0,9 – 2,8 2,5 300 10 -4 2 10 2 10 6

Pb S 1,4 – 3,8 3 77 3 10 -3 2 10 6

In Sb 3,6 – 7,3 6,8 0,5 – 0,8 10 –6 –10-71 20

Pb Se 0,5 – 4,2 3,4 300 2 10 -6 2 10 6

Hg0,8Gd0,2Te 8 - 14 12 77 0,05 – 0,3 10 -8 10 – 10 2

Ge –Au 3 - 9 6 77 0,2 – 0,3 3 10 -8 4 10 5

15

Ge: Hg 6 - 14 11 27 0,2 – 0,6 < 10 -8 3 10 4

Ge: Cd 11 - 20 16 20 10 -7 10 5

Ge: Zn 20 - 40 35 4,2 2 10 -8 2,5 10 5

Si: Sb 11 - 23 21 4,2 10 -7 7 10 6

Ge: B 70 - 130 104 2 < 10 -7

Ecuaţia fundamentală a efectului fotoconductiv în condiţii de echilibru este:

unde: η = eficienţa cuantică, nλ = numărul de fotoni absorbiţi pe unitatea de timp, gfc = τ/Tt =

câştigul intern, μ = mobilitatea purtătorilor majoritari, τ = timpul de viaţă al purtătorilor liberi, T t = timpul de tranzit al purtătorilor, d = distanţa dintre electrozi, V = tensiunea electrică de polarizare, iSc = curentul de scurtcircuit în curent continuu.

Variaţia curentului de ieşire al fotoconductorului este:

unde: d = distanţa dintre electrozi, Δ = volumul semiconductorului, μn, μp – mobilităţile

purtătorilor, N0, P0 – densităţile de electroni şi goluri la echilibru, E = câmpul electric de

polarizare, δE = variaţiile câmpului datorită purtătorilor fotoexcitaţi, dV = elementul de volum. Câştigul în curent al fotoconductorului:

gfc = I / Ifunde I este curentul de ieşire şi If este curentul de fotoexcitare; acest câştig creşte puternic cu

tensiunea de polarizare dar aproape de tensiunea de străpungere pot apare efecte de saturare.Efectele de saturare ale fotoconducţiei la câmpuri electrice intense se explică prin

scăderea puternică a timpului de tranzit sub valoarea timpului de viaţă astfel încât purtătorii minoritari nu au timp să se recombine în interiorul fotoconductorului.

Pentru obţinerea unui răspuns bun în frecvenţă trebuie micşorat timpul de viaţă al purtătorilor, iar pentru obţinerea unor câştiguri mari, timpul de viaţă trebuie să fie cât mai mare, deci acest compromis se rezolvă luând un timp de viaţă optimizat rezultat din optimizarea produsului amplificare – bandă.

La nivele mici ale intensităţii radiaţiei incidente, câştigul şi timpul de viaţă al purtătorilor nu depinde de nivelul de fotoexcitare, iar la nivele mari ale intensităţii radiaţiei incidente apare o scădere a acestora ce determină o deteriorare a răspunsului fotodetectorului.

Pentru fotodetectorii din acelaşi material semiconductor, există o dispersie largă a câştigului în curent, a timpului de răspuns şi a zgomotului, datorită depedenţei lor de gradul de dopare cu impurităţi.

La utilizarea detectorilor fotoconductivi trebuie luat în considerare principalele tipuri de zgomot: zgomotul de generare – recombinare, zgomotul termic, zgomotul amplificării postdetecţie, etc.

16

Capitolul 4

Detectori fotovoltaici

Își bazează funcționarea pe efectul voltaic. Caracteristica esențială a fotodetectorilor cu

efect fotovoltaic o constitue prezența unei regiuni semiconductoare cu „epuizare“ (barierå de

potențial) caracterizatå de un câmp electric puternic care separå purtåtorii de sarcinå electricå,

generați sub acțiunea radiației incidente. Efectul fotovoltaic poate fi atât extrinsec cât și intrinsec,

structurile tipice sub care este întâlnit în fotodetectori fiind joncțiunile p-n și interfața metal-

semiconductor.

Fotodetectorii cu efect fotovoltaic, pot lucra fără tensiune externă de polarizare,

deosebindu-se în acest fel de celelalte tipuri de detectori cuantici, însă, în circuitele de

fotodetecție uzuale se utilizeazå pentru îmbunătățirea performanțelor dispozitivului o tensiune

inversă de polarizare a acestuia, caz în care, semnalul măsurat nu mai este o tensiune ci un

curent.

Teoria efectului fotovoltaic scoate în evidență posibilitatea utilizårii joncțiunii p-n ca

fotodetector. Un alt regim de funcționare caracteristic joncțiunilor cu efect fotovoltaic este cel de

baterie solară.

4.1. FotodiodaFotodioda este o diodă semiconductoare în care curentul invers depinde de intensitatea

radiației incidente. Astfel, fotodioda nu este altceva decât o joncțiune p – n, polarizată invers, și

al cărei curent în circuitul extern este controlat de fluxul luminos φ0 ce cade pe una din fețele

joncțiunii. Circuitul de polarizare și simbolul fotodiodei sunt reprezentate în figura 4.0.., unde

RL este rezistența de sarcină.

17

Figura 4.01.: a) Conectarea fotodiodei în circuitb) simbolul fotodiodei.

4.1.1. Principiul de funcționare al fotodiodeiSå consideråm o joncțiune p – n în absența iluminårii și nepolarizată. La realizarea

contactului dintre regiunile semiconductoare n și p, purtåtorii de sarcină majoritari (electronii din

regiunea n cu concentrația nn și golurile din regiunea p cu concentrația pp) vor difuza spre

regiunile unde concentrațiile purtåtorilor de același tip (electronii minoritari din regiunea p, cu

concentrația np << nn și golurile minoritare din regiunea n cu concentrația pn << pp) sunt mici.

Astfel, în regiunea n rămân donorii ionizați iar în regiunea p rămân acceptorii ionizați și

apare un câmp electric intern Ei care se opune difuziei, determinând formarea unei bariere de

potențial qVb pentru purtåtorii de sarcină majoritari. Curenții determinați de mișcarea de difuzie

a purtătorilor de sarcină majoritari se numesc curenți de difuzie. Odată cu formarea câmpului

intern în joncțiunea p – n are loc o mișcare de drift a electronilor minoritari din regiunea p spre

regiunea n și a golurilor minoritare din regiunea n spre regiunea p, determinând apariția

curenților de drift. Curentul total cauzat de mișcarea de drift a purtåtorilor de sarcină minoritari

reprezintå curentul invers al joncțiunii. Dacă se neglijeazå generarea termică a purtătorilor de

sarcină în interiorul stratului de sarcină parțială atunci curentul invers Is va fi determinat de

purtătorii de sarcină minoritari de echilibru care sunt generați termic de o parte și de alta a

stratului de sarcină spațială pânå la distanțe egale cu lungimile de difuzie corespunzătoare.

Deoarece fiecare purtător de sarcină minoritar care se apropie de stratul de sarcină

spațială este imediat antrenat de câmpul intern al joncțiunii și trecut în regiunea opusă rezultă că,

pentru orice valoare a barierei de potențial Vb, curentul de drift al purtătorilor de sarcină

minoritari este un curent de saturație. La echilibru termodinamic curentul prin joncțiunea p–n

izolată trebuie să fie egal cu zero, adică curenții de difuzie trebuie să fie egali cu curenții de drift

18

care curg în sensuri opuse, iar curentul din circuitul extern este egal cu zero.

Dacå pe joncțiunea p-n cade un flux de fotoni a căror energie este mai mare sau egală cu

lărgimea benzii interzise atunci, datorită absorbției fotonilor, va avea loc generarea perechilor de

electroni și goluri, adică a purtătorilor de sarcină de neechilibru. Purtătorii de sarcină majoritari,

generați de lumină de-o parte și de alta a stratului de sarcină spațialåă sunt respinși de câmpul

intern al joncțiunii în timp ce purtătorii de sarcină minoritari de neechilibru sunt accelerați de

câmpul intern al joncțiunii spre regiuni cu purtători de sarcină majoritari de același tip.

Purtătorii de sarcină minoritari care trec prin stratul de sarcină spațialå vor determina

apariția unui curent suplimentar IL a cărui direcție de curgere coincide cu cea a curentului direct

din joncțiunea p–n la echilibru. Electronii de neechilibru care au trecut din regiunea p în regiunea

n și golurile de neechilibru care trec din regiunea n în regiunea p vor determina apariția unui

câmp electric orientat în sens opus câmpului intern din joncțiune. Astfel bariera de potențial qVb

se va micșora cu qVL ca și cum joncțiunea ar fi fost polarizată direct cu tensiunea VL. Echilibrul

curenților este acum perturbat. Datorită mișcării barierei de potențial până la q(Vb – VL), va

crește curentul de difuzie al purtătorilor de sarcină majoritari. Starea staționară a sistemului se

atinge în momentul când, numărul perechilor de electroni și goluri, generate de radiația

incidentă, va fi egal cu numărul purtătorilor de sarcină majoritari care trec peste bariera de

potențial diminuată.

Dacă în circuitul joncțiunii p –n ideale se introduce rezistența de sarcină RL,

atunci o parte din purtătorii de sarcină minoritari generati de lumină și antrenați de câmpul intern

vor contribui la micșorarea barierei de potențial cu qVL iar o altă parte vor contribui la formarea

în circuitul extern a curentului I. Având în vedere faptul că pentru orice valoare a barierei de

potențial curenții de drift vor crește după o lege de forma:

pentru curentul I se obtine expresia:

unde IS este curentul de întuneric iar IL este fotocurentul datorat generării optice a purtătorilor

19

de sarcină minoritari.

Relatia de mai sus reprezintă ecuația fundamentală a fotodetectorului ideal cu joncțiune p

– n.

În condiții de circuit deschis (I = 0) din relatia anterioara obținem:

iar în regim de scurtcircuit (VL = 0) avem:

ISC = -IL

4.1.2. Regimul de fotodiodăDacå joncțiunea p – n este polarizată invers cu tensiunea V, atunci, pentru caracteristica

curent-tensiune în condiții de iluminare obținem:

Dacå V >> IRS și qV >> kT atunci, se obține

I = -Is - IL.

Aceastå relație reprezintă caracteristicile curent-tensiune ale unui detector fotogalvanic în

regim de fotodiodă. Curentul care trece prin rezistența de sarcină RL este format din curentul de

întuneric Is și fotocurentul IL datorat generării optice a purtătorilor de sarcină minoritari. Așa

cum rezultă din relatia de mai sus, curentul total, I, nu depinde de valoarea tensiunii de

polarizare inversă. Dacă notăm cu nf numărul de fotoni absorbiți în unitatea de timp și de volum

a semiconductorului, nf = φ0 (1− R) / hν, iar cu randamentul cuantic al efectului

fotoelectric intern atunci fotocurentul IL se poate exprima prin relația:

unde mărimea Qc se numește coeficient de colectare și reprezintă raportul dintre numărul

purtătorilor de sarcină separați de câmpul intern al joncțiunii și numărul total al purtătorilor de

20

sarcină generați optic. Coeficientul de proporționalitate Rλ caracterizează sensibilitatea

cromatică a fotodetectorului și poartă denumirea de responsivitate.

Utilizarea joncțiunilor p – n ca detector de radiație luminoasă în regim de polarizare

inversă prezint două avantaje importante:

a) fotocurentul este proporțional cu intensitatea radiației incidente;

b) fotorăspunsul crește odată cu tensiunea de polarizare inversă.

Liniaritatea fotocurentului cu intensitatea radiației incidente se păstrează până la tensiuni

inverse apropiate de tensiunea de străpungere a fotodiodei.

Creșterea vitezei de răspuns a fotodiodelor odată cu tensiunea de polarizare inversă se

poate înțelege dacă ținem cont de mecanismul intim de formare a fotocurentului. Astfel,

răspunsul fotodiodei este cu atât mai rapid cu cât purtătorii sunt generați mai aproape de stratul

de sarcină spațială pentru a ajunge într-un timp cât mai scurt în regiunea de câmp intens pentru a

fi separați. Lărgimea stratului de sarcină spațială crește odată cu tensiunea de polarizare inversă

conform relației:

unde Vb este diferența de potențial de contact. Din această relație se poate observa că, prin

aplicarea unor tensiuni mari de polarizare inversă stratul de sarcină spațială se poate lărgi

considerabil. Mai departe nu rămâne decât crearea condițiilor ca radiația incidentă să nu fie

absorbită până la stratul de sarcină spațială. Dacă fotodetectorul este destinat pentru a funcționa

la lungimi de undă pentru care absorbția este puternică, atunci grosimea semiconductorului

dintre suprafața iluminată și stratul de sarcină spațială ( în condiții de polarizare inversă ) trebuie

diminuată până la valoarea minimă posibilă. Unul din factorii care limiteazå viteza de răspuns a

fotodiodelor este constanta de timp RC unde C este capacitatea diodei iar R reprezintă suma

dintre rezistența fotodetectorului și rezistența de sarcină RL. Această constantă se poate micșora

crescând tensiunea de polarizare inversă deoarece capacitatea unei joncțiuniabrupte cu suprafața

S satisface relația:

Rezultă că parametri de funcționare ai fotodiodelor se îmbunătățesc odată cu creșterea tensiunii

de polarizare inversă, creștere care este limitată însă de fenomenele de străpungere.

21

4.1.3. Parametri fotodiodelorPrincipalii parametri cu ajutorul cărora sunt caracterizate fotodiodele în vedere

aplicațiilor practice sunt:

a) Curentul de întuneric Is care reprezintă curentul invers al joncțiunii p–n în absența

iluminării la tensiunea de polarizare la care funcționează fotodioda. Valorile tipice pentru

Is în cazul fotodiodelor sunt cuprinse între 1- 50 nA pentru tensiuni de polarizare inversă

cuprinsă între 10 și 400 V;

b) Sensibilitatea la iluminare

Dacă fluxul luminos incident, raportat la unitatea de suprafață, este exprimat în lx, atunci

sensibilitatea spectrală în curent a fotodiodelor se msoară în A/lx. Acest parametru este

determinat de pierderile prin reflexie [factorul (1 – R)], pierderile prin recombinare (factorul Qc)

și randamentul cuantic η. Pierderile prin reflexie se pot diminua mult prin depunerea de straturi

antireflectante. Coeficientul de colectare Qc, cauzat de pierderile prin recombinare, depinde de

parametrii constructivi ai fotodiodelor și poate atinge valori destul de mari, cuprinse între 0,5 și

0,9. Pentru regiunea spectrului cu lungimi de undă mici este dificil de realizat o fotodiodă cu

coeficient de colectare mare datorită pierderilor care au loc prin procesele de recombinare la

suprafață. Domeniul spectral de sensibilitate maximă a fotodiodelor depinde atât de natura

semiconductorului utilizat pentru realizarea joncțiunii p – n cât și de parametri constructivi sau

de tensiunea de polarizare inversă.

c) Constantele de timp pentru creșterea fotocurentului (τi) și descreșterea fotocurentului

(τd), când fotodioda este iluminată cu impulsuri dreptunghiulare de lumină, se pot defini, la fel

ca în cazul fotorezistorilor și, de regulå, au valori cu 2 până la 4 ordine de mărime mai mici decât

în cazul efectului fotoconductiv.Această diferență între constantele de timp pentru cele două

tipuri de dispositive se poate înțelege dacă ținem cont de natura proceselor fizice care au loc. În

cazul fotoconductorilor concentrațiile purtătorilor de sarcină sunt limitate de procesele de

combinare în timp ce în cazul fotodiodelor purtătorii de sarcină generați de radiația incidentă nu

mai așteaptă procesele de combinare și sunt antrenați rapid de către câmpul electric intens din

stratul de sarcină spațială. Constantele de timp sunt aproximativ egale și au valori cuprinse între

0,5 ns și 1ns.

22

d) Capacitatea joncțiunii depinde de parametri constructivi ai fotodiodei și, în cazul

joncțiunilor abrupte, depinde de tensiunea de polarizare inversă. În cataloage acest parametru

este dat pentru tensiunea de polarizare inversă recomandată de producător pentru funcționarea

fotodiodei.

e) Puterea disipată pe fotodiodă (Pd) este determinată de parametrii constructive și,

pentru fotodiodele obișnuite poate fi cuprinsă între 100 și 500 mW. Alți parametri care

caracterizează funcționarea fotodiodelor se definesc ca în cazul celulelor fotovoltaice.

4.2. Celulele solareEfectul fotovoltaic stă la baza funcționării unei celule solare, radiația incidentă provenind

de la soare. În cazul celulelor solare, problema principală este aceea a convertirii cu eficiență

mare a energiei solare în energie electrică. În construcția celulelor solare, există două modele

fizice de bază:

a) regiunile p și n ale joncțiunii sunt dopate uniform, iar mobilitatea și timpul de viață ale

purtătorilor minoritari sunt constante, astfel că avem câmp electric numai în regiunea de sarcină

spațială. Pentru obținerea unui curent de scurtcircuit cât mai mare trebuie să reducem reflexia

radiației la suprafața semiconductorului, să avem o lărgime a regiunii de sarcină spațială cât mai

mare, iar recombinarea la suprafață a purtătorilor minoritari să fie cât mai mică. Regiunile n și p

au o contribuție la rezistența serie a celulei solare care trebuie să fie cât mai mică;

b) regiunile p și n sunt dopate neuniform, caz în care va exista un câmp electric și în

regiunile laterale p și n ale joncțiunii iar mobilitatea și timpul de viață pot fi constante sau

dependente de valorile acestui câmp. În regiunea neutră se creează un gradient al impurităților

adică un câmp electric intern, care va determina deplasarea mai rapidă a purtåtorilor minoritari

spre joncțiune (datorită vitezei de drift). Deci, prezența câmpului electric intern conduce la

creșterea curentului de scurcircuit.

Figura 4.1. Structura de celulă solară cu câmp intern

23

Pentru fiecare caz în parte se pot scrie relațiile analitice pentru curentul de scurtcircuit ele

puntând fi interpretate conform cu situațiile de interes practic. În figura 4.1. este prezentată o

structură de celulă solară cu câmp intern în regiunea bazei. Pentru celulele cu joncțiune dopată

neuniform, realizarea unei structuri de tipul n+pp+ sau p+pn+ înseamnă apariția unui câmp

intern în regiunea bazei în imediata apropiere de suprafață.

A fost necesară conceperea unor astfel de structuri în vederea diminuării fenomenului de

recombinare a purtătorilor minoritari fotogenerați în regiunea bazei. S-a realizat astfel pe lângă o

creștere a purtătorilor fotogenerați și optimizarea celulelor solare. Bariera de potențial care se

creează la interfața regiunilor pp+ (sau nn+ la structurile ppn+) se opune deplasării purtătorilor

minoritari fotogenerați, respectiv deplasării golurilor, spre regiunea p+ puternic dopată, în

schimb nu se opune deplasării purtătorilor majoritari. O parte din electronii fotogenerați în

regiunea p, care s-ar fi pierdut prin recombinare la suprafață, vor participa la curentul de

scurtcircuit. Creșterea curentului de scurtcircuit este de ordinul a 5% datorată în principal

diminuării recombinării purtătorilor de sarcină minoritari ca urmare a barierei pp+ sau nn+ iar a

tensiunii de circuit deschis este de 10%, acesta din urmă în principal prin micșorarea curentului

de saturație Is. Celulele solare cu structura n+pp+ au concentrații ale impuritåților donoare mai

mari de 1019 cm3 și grosimi ale regiunii p+ de 0,5 până la 1μm.

În figura 4.2. este prezentată schema echivalentă pentru o celulă solară, unde:

Figura 4.2.: Scema echivalentă a unei celule solare

- Rs este rezistența serie datoraăå regiunilor p și n precum și contactelor, care duce la diferențe

între tensiunea la bornele unei celule solare și tensiunea care cade pe joncțiunea p-n;

- Rsh este rezistența șunt a joncțiunii p-n care influențează curentul de scurgere al joncțiunii p-n

(curentul de întuneric);

- RL rezistența de sarcină;

- G un generator de curent care reprezintă curentul IL datorat purtătorilor fotogenerați.

Performanțele unei celule solare sunt determinate de o multitudine de factori și anume:

24

- intensitatea și distribuția spectrală a radiației incidente;

- reflexia radiației incidente la suprafața celulei solare. Se depun strate dielectrice antireflectante

care utilizează materiale ca oxizi de aluminiu, titan, tantal și de siliciu, bioxid și nitrură de siliciu

cu grosimea de sub un micron;

- pierderile prin absorbția radiației incidente în stratele de protecție ale celulei solare;

- suprafața utilă a celulei solare;

- procesele de recombinare la suprafață și în volum;

-coeficientul de absorbție al radiației incidente;

- grosimile regiunilor p și n ale celulelor solare și distribuția impurităților în regiunile p și n, deci

de câmpurile interne din aceste regiuni;

- timpul de viață al purtătorilor minoritari, fotogenerați.

Pentru realizarea celulelor solare, siliciul, este cel mai utilizat semiconductor în oricare

din stările, monocristalină, policristalină sau amorfă. Siliciul monocristalin are lărgimea benzii

interzise de 1,12 eV foarte apropiată de valoarea optimă de conversie fotovoltaică. Având o

structură de benzi energetice indirecte Si are coeficientul de absorbție mic ceea ce permite o

adâncime mai mare de pătrundere a radiației solare iar influența recombinării la suprafață va fi

mai mică.

Costul ridicat al celulelor cu siliciu monocristalin a dus la căutarea și realizarea unor

materiale semiconductoare mai ieftine pentru conversia fotovoltaică și de aici cercetările pentru

siliciul policristalin și amorf.

Siliciul policristalin se obține pentru diferite mărimi ale granulațiilor având o aranjare

numită orientare fibroasă. În utilizarea siliciului policristalin se scot în evidență câteva

caracteristici:

- dimensiunile cristalitelor så fie mai mari decât lungimea de difuzie a purtătorilor

minoritari;

- orientare fibroasă (în linie) a cristalitelor.

Siliciul amorf oferă avantajele:

- coeficientul de absorbție în domeniul spectral al radiației solare este foarte mare, cu un

ordin de mărime mai mare decât cel a siliciului policristalin;

- lărgimea benzii interzise se plasează în intervalul (1,5-2 eV), în funcție de conținutul de

hidrogen;

25

- tehnologiile de obținere sunt mult mai simple;

-se poate dopa atât cu impurități donoare cât și acceptoare;

- se pot realiza celule solare în diverse variante – homojoncțiuni, heterojoncțiuni,

Schottky, metal-izolator-semicondictor (MIS), cu și fără câmpuri interne, etc. grosimea celulelor

solare fiind de ordinul a câtorva microni.

Celulele solare amorfe pe baza de siliciu amorf dopat cu hidrogen au dezavantajul că sunt

instabile în timp și au o sensibilitate mare la vapori de apă ceea ce impune precauții mai mari la

încapsularea acestora.

Costul ridicat al semiconductorilor utilizați pentru realizarea celulelor solare a impus ca o

soluție de ieftinire reducerea ariei active a celulelor solare iar pentru a menține sau crește puterea

debitată se apelează la concentrarea radiației incidente.

Funcționarea celulelor solare în radiație concentrată impune precauții speciale

determinate în principal de doi factori fundamentali:

- rate foarte mari de fotogenerare ceea ce face să crească pierderile prin recombinare

precum și prin căderile de tensiune pe rezistența internă;

- temperatura ridicată pe care o capătă datorită concentrării care diminuează parametrii de

bază, în special curentul de scurtcircuit și eficiența conversiei.

Utilizarea materialelor semiconductoare de tipul AlGaAs/GaAs fac ca influența acestor

factori să fie mult redusă astfel că celulele solare pot fi utilizate până la concentrări foarte mari

ale radiației solare, chiar de 5000 de sori.

26

Bibliografie

1. Sorin Constantin Zamfira, Optoelectronica, Editura Universității ,,Transilvania” Brașov,2004

2. Joseph Harari, Didier Decoster, Optoelectronic Sensors ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.,2009

27