Introducción a la Optoelectrónica

Transcripción

1 Introducción a la Optoelectrónica Responsables de la materia: Profesor: Dr. Ing. Martín G. González Clase N 12

2 Hoja de ruta de la clase 12 Detectores térmicos eoría general Detectores termoeléctricos Detectores piroeléctricos El bolómetro Detectores cuánticos Fotoemisión Efecto fotoeléctrico y fotocátodos Superficies fotoemisoras Fotomultiplicador Ruido en fotomultiplicadores

3 Clasificación típica de fotodetectores ÉRMICOS * La absorción de radiación incrementa la temperatura del dispositivo y esto provoca un cambio en alguna propiedad del mismo. * La salida del detector es proporcional a la cantidad de energía absorbida por unidad de tiempo * Generalmente son simples, baratos, robustos, casi independientes de la longitud de onda pero, como todos los fenómenos térmicos, son relativamente muy lentos. CUÁNICOS * El proceso de absorción se da a través de algún evento cuántico específico. * La salida del detector es gobernada por la tasa de absorción de fotones y no directamente por su energía. *Generalmente se requiere de cierta cantidad de energía del fotón para iniciar el proceso cuántico, por lo tanto, existe una longitud de onda máxima de operación. * Estos detectores son rápidos, pero, al depender de la longitud de onda, hay que tener el apropiado para cada caso. Otra desventaja, para usarlos en el IR (>3μm) hay que enfriarlos.

4 Detectores térmicos: teoría general Consideremos el siguiente modelo donde C y G es la capacidad y conductancia térmica: Si la potencia absorbida por el detector es P d, entonces la cantidad de calor disponible para incrementar la temperatura del detector en un intervalo de tiempo pequeño es: dd C d = Pd Δt G d Δt Pd () t = C + G d Δt 0 dt Ante un escalón de potencia, la solución de la ecuación diferencial para t > 0 es: d P 0 G P () = 0 t t = 1 exp t 1 exp G C G τ Por lo tanto, para tener una gran variación de temperatura para una dada P d, es conveniente que G sea bajo. Por otro lado, para que la constante de tiempo no sea larga, se debe reducir C, o sea, el área del detector. En resumen, EL DEECOR DEBE SER PEQUEÑO.

5 Detectores térmicos: teoría general Supongamos tener una potencia modulada armónicamente: ( t) = P exp( j 2π f t) Supongamos una solución de la misma forma funcional: ( t) = exp( j 2π f t) d P d 0 0 Reemplazando en la ecuación diferencia y despejando 0 en función de la frecuencia: 0 P j 2π f 0 ( f ) = ( f ) G + C 0 = P G 0 2 [ 1+ ( 2π f τ ) ] 1 2 Entonces, la responsividad térmica (K/W) resulta: R ( f ) = 1 G 2 [ 1+ ( 2π f τ ) ] 1 2 Este cambio de temperatura afectará alguna magnitud, por ejemplo la resistencia, y a partir de allí inferimos la potencia. A continuación estudiaremos los detector térmicos más populares.

6 Detectores térmicos: el bolómetro En este detector la radiación incidente calienta un alambre fino o banda de metal (strip) causando un cambio en su resistencia eléctrica. Estos cambios pueden ser detectados de muchas formas, por ejemplo, a través del puente de Wheatstone. Diseño: se debe tener mucho cuidado de asegurar que cualquier corriente que fluya a través del elemento sea lo suficientemente pequeña para no producir un significante aumento de la temperatura. El principal parámetro de interés para analizar la performance de este detector es el coeficiente de deriva térmica: 1 dρ α = donde ρ es la resistividad ρ d Bolómetros de metal: la resistividad se incrementa con la temperatura y entonces α es positivo. Los más comúnmente utilizados son el platino y el niquel con valores de α ~ K 1. Bolómetros de semiconductor o ERMISORES: la resistividad disminuye con la temperatura (α negativo) y se tienen grandes valores de α (mayor sensibilidad). En general consisten de óxido de manganeso, cobalto o niquel y tienen valores de α ~0.06 K 1. Bolómetros de resistencias de carbón: si se los enfrían con He líquido, son detectores muy sensibles para detección de IR lejano, lo cual resulta de interés en Astronomía.

7 Detectores térmicos: el microbolómetro Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro utilizado como detector en una cámara térmica. Es una resistencia diminuta de óxido de vanadio o de silicio amorfo con un elevado coeficiente térmico. Esta resistencia se coloca sobre un substrato de silicio que además funciona de lector de la caída de tensión. En una cámara térmica, las señales eléctrica generadas por cientos de ellos son procesada para producir una imagen IR (8 14 μm). La principal ventaja de las cámaras térmicas basadas en microbolómetros es que no necesitan de un sistema de enfriado.

8 Detectores térmicos: el microbolómetro Algunas aplicaciones del microbolómetro usado como cámara térmica:

9 Detectores termoeléctricos: termocuplas Cuando ponemos dos metales diferentes aparece una fuerza electromotriz entre los extremos fruto de la diferencia de los niveles de Fermi de ambos metales (efecto Seebeck). Esta tensión varía con la temperatura porque también lo hacen los niveles de Fermi. La dependencia entre la tensión entregada y la temperatura no es lineal. Para aumentar la eficiencia de operación, es necesario utilizar materiales con grandes conductividades eléctricas (para minimizar el efecto Joule) y bajas conductividades térmicas (para minimizar pérdidas por conducción). Conseguir ambas cosas suele ser imposible y se debe llegar a un compromiso. IPOS DE ERMOCUPLA: ipo K (Cromo / Aluminio): rango de temperatura de 200 C a C y una sensibilidad 41µV/ C. Resistencia a la oxidación. ipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu Ni)): son ideales para el uso en bajas temperaturas. Sensibilidad de 68 µv/ C. ipo J (Hierro / Constantán): rango de temperatura de 270/+1200 C. Debe ser usado en atmósferas inertes. ipo (Cobre / Constantán): rango de temperatura de 200 y 260 C y una sensibilidad de cerca de 43 µv/ C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogénica. ipo B (Platino (Pt) Rodio (Rh)): adecuados para medición de altas temperaturas (>1800 C), baja sensibilidad (10 µv/ C). ipo R (Platino (Pt) Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1300 C, baja sensibilidad (10 µv/ C). ipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300 C, baja sensibilidad (10 µv/ C).

10 Detectores termoeléctricos: termocuplas Cómo medimos la tensión entregada por la termocupla? Cuando conectamos nuestra termocupla tipo J al voltímetro a través de cables de cobre aparecen otras dos junturas. Si estas junturas, J 3 y J 4, están compuestas por los mismos pares y se encuentran a la misma temperatura, entonces se cancelan sus efectos. Pero para lograr que los pares sean igual, aparece otra juntura J REF : qué hacer? La temperatura de la juntura J 1 está referida a la REF que es monitoreada por un termistor.

11 Detectores termoeléctricos: termocuplas Las termocuplas a base de metal son muy robustas pero tiene eficiencias bajas que raramente exceden el 3%. Por otro lado, el uso de semiconductores fuertemente dopados mejora notablemente la eficiencia y con ello la sensibilidad pero a costa de una mayor complejidad. Los portadores se difundirán cuando un extremos de un material esté a un temperatura diferente del otro (portadores caliente al lado frío y viceversa). Al calentar el metal (debido a la absorción de radiación) se calienta el semiconductor tipo N y tipo P. Esto produce que los portadores mayoritarios migren al lado frío. Por lo tanto, se produce una corriente neta de portadores por el circuito (flechas amarillas) que genera una tensión proporcional a la radiación absorbida.

12 Detectores termoeléctricos: termopilas La tensión inducida por cada termopar suele ser bajo (~10 μv/ C a 70 μv/ C), entonces, para aumentar la tensión de salida, se conectanvarias termocuplas en serie y a esto se lo llama ERMOPILA

13 Detectores piroeléctricos: propiedad que cambia y materiales usados En estos detectores la radiación incidente es absorbida por el material ferroeléctrico, el muestra una polarización neta aún en ausencia de un campo eléctrico aplicado. Propiedad que cambia ante la incidencia de radiación: Por debajo de la temperatura de Curie c los dipolos están parcialmente alineados a los largo de un eje cristalográfico particular, dando origen a una polarización neta del cristal. Cuando el material es calentado, la agitación térmica de los dipolos se incrementa favoreciendo la aleatoriedad de la alineación de los dipolos y entonces, la polarización neta decrece. Ésta eventualmente se vuelve cero para temperaturas por encima de c. Materiales utilizados: * Monocristalinos: como el sulfato de triglicina (GS) o tantalato de litio (LiaO 3 ) lo cuales son muy sensibles pero poseen una baja temperatura c (Ej: para GS es sólo de 49 C). * Cerámicos: como el circonato titanato de plomo (PZ); son casi tan sensibles como los monocristalinos y con la ventaja que poseen c mayores a los de cientos de grados celsius. * Polímeros: como el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus derivados; presentan relativos altos valores de c, son de bajo costo y su manejo es sencillo, sin embargo, su sensibilidad es apenas una décima parte que la obtenida con los monocristalinos.

14 Detectores piroeléctricos: fabricación * El detector consiste de un film o bloque delgado de material ferroeléctrico cortado de forma tal que el vector polarización neto es normal a la cara de mayor superficie. Un capa muy delgada de electrodos es depositada sobre las caras y conectados a una carga resistiva R L de gran valor (~10 9 Ω). * Un cambio en la temperatura del ferroeléctrico causa una variación en la polarización y por ende también en la carga superficial. Esto hace que fluya una corriente por la resistencia R L. Radiación constante NO causará ningún cambio en la carga almacenada por los electrodos. * Dado el alto valor de R L, estos sensores se construyen con una amplificador integrado para reducir la señal de ruido generado por la alta impedancia. Usualmente se utilizan JFE en la configuración seguidor por source con drain a común. * Estos detectores son rápidos (llegan a los ns), con un extenso ancho de banda espectral (>100μm), robustos y baratos.

15 Detectores piroeléctricos: modelo equivalente La corriente que circula ante un cambio de temperatura está dada por: dt d A p i p = donde p es el coeficiente piroeléctrico (~ C/m 2 K) y A es el área del sensor. Para una potencia óptica modulada armónicamente y recordando la teoría general: ( ) [ ] p f G P A p f i τ π π + = La tensión de salida V p es la corriente provista por el detector por la impedancia total: ( ) [ ] ( ) [ ] a p a L a L E E p C C C R R R R R C R f f G R P A p f V + = + = = + + = ; ; donde τ τ π τ π π

16 Detectores piroeléctricos: modelo equivalente La responsividad del detector + preamplificador es [V/W]: R p = 2π f [ 1+ ( 2π f τ ) ] 1+ ( 2π f τ ) E p A R G 2 [ ] 1 2 * El polo dado por τ nos va a dar el límite inferior de la respuesta en frecuencia (~0.016 s). * El polo dado por τ E nos va a dar el límite superior y dependerá R y C. Al variar estos parámetros podemos optar por un detector sensible y lento (alarmas) o poco sensible y rápido (medición de láseres).

17 Detectores piroeléctricos:un ejemplo Clase 12

18 Detectores cuánticos: clasificación En la mayoría de la bibliografía los detectores cuánticos se agrupan según cómo o dónde el evento cuántico tiene lugar: * Detectores basados en la FOOEMISIÓN como por ejemplo a fotomultiplicador. * Aquellos basados en la FOOCONDUCIVIDAD como detectores de silicio. * Los detectores de JUNURA como por ejemplo el fotodiodo. A continuación comenzaremos a estudiar aquellos sensores que aprovechan la fotoemisión para medir la radiación incidente.

19 Detectores cuánticos: repaso efecto fotoeléctrico Cuando la radiación con una longitud de onda menor que un valor crítico incide sobre una superficie metálica o semiconductora, se observa la emisión de electrones. * Si el electrones tiene la energía de Fermi, su energía cinética será: = h v eφ * Por debajo del nivel de Fermi los electrones pueden sufrir colisiones inelásticas antes de la emisión. Si la probabilidad de estas colisiones es alta, sólo una fracción de ellos podrá escapar del metal. * Un parámetro importante es la eficiencia cuántica: η = E k # electrones emitidos # fotones absorbidos

20 Detectores cuánticos: superficies fotoemisoras Metales puros son raramente utilizados para la fabricación de fotocátodos ya que presentan bajos valores de η (~0.1%) y grandes valores de eφ (el más bajo lo tiene el Cesio con 2.1 ev). Las superficies fotoemisoras utilizadas pueden agruparse en dos categorías: * Las clásicas: consisten en la deposición de una delgada capa compuesta de metales alcalinos (ej: Cs) y uno o más elementos metálicos del grupo V (ej: Sb). Las combinaciones entre estos metales más un vidrio que los proteja de la intemperie son designados con la letra S. Por ejemplo, el S 11 usa Cs Sb como fotocátodo y borosilicato de calcio como vidrio protector. * Con afinidad electrónica negativa o NEA: en los semiconductores es posible reducir el valor de φ a través de una flexión de las bandas que toma lugar en la superficie del material. En la práctica, los fotocátodos NEA son construidos depositando una delgada capa de Cs u óxido de Cs sobre la superficie de un semiconductor. Con el GaAs se han logrado fotocátodos que operan con grandes valores de η (>10%); incluso para longitudes de onda larga (~1μm) donde se consiguen valores razonables de η (~0.1 %).

21 Detectores cuánticos: superficies fotoemisoras Responsividad [A/W] de diferentes fotocátodos con vidrio protector:

22 Detectores cuánticos: el fotomultiplicador Una forma de amplificar la señal de un fotocátodo es a través de un fotomultiplicador. Los fotoelectrones son acelerados por una serie de electrodos (dínodos) que son mantenidos a diferentes tensiones que van aumentando a medida que se alejan del fotocátodo. Cada electrón que choca con la superficie de un dínodo causa la emisión de varios electrones secundarios que son acelerados hacia el siguiente dínodo para continuar con el proceso de multiplicación que termina en el ánodo. Un parámetro importante es δ que representa la cantidad promedio de electrones secundarios emitidos por cada electrón que choca un dínodo. De la figura se puede apreciar que la ganancia de corriente es función de la cantidad de dínodos y de la tensión entre ellos.

23 Detectores cuánticos: el fotomultiplicador Se pueden catalogar en base de si el fotocátodo es transparente (frontal) o no lo es (lateral): O se pueden catalogar según como están dispuestos los dínodos:

24 Fotomultiplicador de 7 etapas: Detectores cuánticos: el fotomultiplicador La amplificación de corriente entre cátodo y ánodo depende del número de dínodos N y del parámetro δ : G = i i L K = δ N Por ejemplo, si N=9 y δ=5, entonces la G es ~2 10 6, o sea ~126 db. * Para mantener la tensión de entre los dínodos uniforme, i D >> i L. * Los capacitores de las últimas etapas (corrientes grandes) aseguran que la diferencia de tensión permanezca constante, aún en presencia de grandes pulsos de fotoelectrones. Ejemplo: Supongamos que llega al detector un fuente de luz de λ = 500 nm a razón de 20 fotones por microsegundo, o sea, P in = 7.95 pw. Si η K = 0.15 y G = 126 db, entonces i L = G i = G eη P hv 8 μa K Si R L =1 MΩ, entonces V L = 8 V, una amplitud de señal grande en respuesta a ~ 7.95 pw K in

25 Detectores cuánticos: tiempo de respuesta de fotomultiplicadores A lo electrones le toma un tiempo atravesar los dínodos desde el cátodo hasta el ánodos. Este tiempo no es el mismo para todos los electrones. Causas: 1) Los electrones tiene una rango de velocidades cuando salen del cátodo y de los dínodos. 2) Los electrones siguen caminos ligeramente distintos. ESO LIMIA LA RESPUESA A PULSOS COROS Soluciones posibles: 1) Usar menos dínodos para reducir la dispersión de velocidades. 2) Diseñar los dínodos de forma de enfocar los campos electrostáticos tratando de lograr que todos los electrones sigan más o menos el mismo camino En términos de configuración de electrodos podemos ordenar de mayor a menor velocidad de respuesta: 1) ipo linealmente centrado (enfocado) 2) ipo jaula circular (enfocado) 3) ipo persiana veneciana 4) ipo caja y rejilla

26 Detectores cuánticos: ruido en fotomultiplicadores CORRIENE OSCURA: Principal fuente de ruido en los fotomultiplicadores (PM). Aún en ausencia de radiación incidente tenemos emisión termoiónica que da origen a una corriente que depende de la temperatura, el área y la función trabajo del fotocátodo: i 2 = a A exp [ eφ k ] donde a es una constante que para metales puros tiene un valor de ~ A/m 2 K 2 Este ruido puede reducirse bajando la temperatura de trabajo del dispositivo. RUIDO SHO: Surge de la naturaleza discreta de la carga del electrón. Cuando fluye una corriente de un punto a otro, la tasa de arribo de los electrones fluctuará un poco produciendo una variación de la corriente. Se puede demostrar su magnitud rms entre las frecuencias f y Δf estará dada por: Δi = 2e f ( i + i ) Δf Por lo tanto, la mínima potencia que puede detectar un PM con i y ruido shot es: P mín = K ( i + i ) Δf 2e( i + i ) 2e K K = G eηk hv R λ Δf

27 Detectores cuánticos: ruido en fotomultiplicadores Aunque P in > P mín hay que tener en cuenta otras fuentes de ruido presentes en el PM: RUIDO MULIPLICADO: El ruido shot es amplificado en la sucesivas etapas, haciéndose muy importante en el ánodos: Δi = G 2e M ( i + i ) Δf K RUIDO JOHNSON O NYQUIS: Surge de la agitación térmica de los portadores de carga que fluyen por el conductor, lo que resulta en una variación de la tensión ΔV f. El valor r.m.s. de ΔV f de una resistencia R a temperatura para el rango de frecuencia entre f y Δf: Δ = 4 k V f R Δf Esto quiere decir que la resistencia R L no debe ser muy elevada.

28 Detectores cuánticos: un ejemplo de un fotomultiplicador Clase 12

29 Detectores cuánticos: un ejemplo de un fotomultiplicador Clase 12

30 Próxima clase En esta clase hemos estudiado los principales fotodetectores térmicos y hemos comenzado con uno de los detectores cuánticos más sensibles (el fotomultiplicador). odavía nos restan ver los detectores fotoconductivos y los de juntura. Por lo tanto, la siguiente clase estudiaremos: el fotodiodo, el fotodiodo avalancha, el fotodiodo PIN, el fototransistor, entre otros.