Fotodedektör Nedir? |
2. Bölüm

Dedektörler, elektromanyetik dalga formundaki enerji akısını ölçülebilir hale getiren ve kayıt edilmesini sağlayan cihazlardır. Yazı serimizin bu bölümünde çok çeşitli kullanım alanlarına sahip olan ve bilimin birçok alanında inceleme konusu olan fotodedektörlerin nasıl çalıştığını matematiksel modellemeler ile inceleyeceğiz.

A- A+

26.01.2017 tarihli yazı 13999 kez okunmuştur.

Fotodedektör Optoelektronik Fotonik Algılama UV Işın Işık

Elektromanyetik Radyasyon

Ultraviyale’den uzak kızılötesine olan spektral aralıktaki elektromanyetik radyasyon dedektörlerine; ışık dedektörleri denmektedir. Fotonların algılayıcı bir sensör tarafından absorbe edilmesi bir kuantum ya da termal tepkinin yaratılmasını sağlayabilir. Bu nedenle tüm ışık dedektörleri kuantum ve termal olarak adlandırılan iki ana gruba ayrılmıştır. Kuantum dedektörleri; mor ötesi ışık şiddetinden orta kızılötesi spektral aralıklara kadar çalışırlarken, termal dedektörler; oda sıcaklığında verimin kuantum dedektörünün verimliliğini aştığı orta ve büyük kızılötesi spektal aralığında en iyi verimde çalışır.

Katı hal kuantum dedektörleri (fotovoltaik ve fotoiletken cihazlar), bireysel fotonların, kristal kafes yapıya sahip yarı iletken materyallerin etkileşimine dayanırlar. Dedektörlerin operasyonları Einstein tarafından açıklanan ve ona Nobel ödülü kazandıran herhangi bir kaynaktan yayılan ışık, mor üstü (ultraviole) ışın veya başka herhangi bir çeşit elektromanyetik dalganın genellikle metal yüzeylere çarptığında enerjisini elektronlara aktarması ve sonucunda dışarı elektron yaymasıdediğimiz fotoelektrik etkiden yola çıkılarak hazırlanmıştır.

►İlginizi Çekebilir: Fotodedektör Nedir? | 1. Bölüm

1905’de Einstein tarafından ışık doğası konusunda olağanüstü bir varsayım yapıldı: ışığın foton denilen parçacıklardan oluştuğunu öne sürmüştür.

Tek bir fotonun enerjisi şu şekilde verilir:

E= Hu

Burada v ışık frekansı h= 6.626075* 10-15 eVs, dalga ışık teorisi temelinde türetilen Planck sabitidir. Bir foton, bir iletken yüzeyine çarptığında serbest elektron üretir. Foton enerjisi E’nin bir parçası (φ), elektronu yüzeyden ayırmak için kullanılır; diğer kısım ise kinetik enerjisini elektrona verir.

Fotoelektrik Etki

Fotoelektrik etki aşağıdaki şekilde tanımlanabilir:

Hv= φ + Km

Burada φ emisyon yüzeyinin işlevi ve Km, elektronun yüzeyden çıkması için gereken maksimum kinetik enerjidir. Bir yarıiletken p-n birleşiminin ışın enerjisine maruz kalması durumunda benzer işlemler oluşur.

Şekil 1: Yüksek enerjili (a) ve düşük enerjili (b) fotonları için yarıiletkende fotoelektrik etki.

►İlginizi Çekebilir: Optoelektronik | 1. Bölüm

Foton enerjisini bir elektrona aktarır ve eğer enerji yeterince yüksekse, elektron hareket edebilir, bu da bir elektrik akımı ile sonuçlanır. Kristalin malzemeleriyle, katı içinde bulunan elektronlar için izin verilen enerji bantları oluşturur. Saf materyal içindeki herhangi bir elektronun enerjisi, boşluklar veya yasaklanmış enerjilerin aralıkları ile ayrılabilen bu enerji bantlarından biriyle sınırlandırılmalıdır.

Doğru bir dalga boyunun ışığı (yeterince yüksek foton enerjisi) bir yarı iletken kristale çarparsa, kristalin içindeki yük taşıyıcıların (elektronlar ve delikler) konsantrasyonu artar; bu da bir kristalin iletkenliğinde artışı gösterir.

σ = e ( µe n + µh p)

Burada e elektron yükü, μe elektron mobilitesi, μh hole hareketliliği ve n ve p elektronların ve hollerin konsantrasyonudur.

Şekil 1a'da bir yarı iletken malzemenin enerji bantlarını göstermektedir. Burada Eg, yasak bant aralığının elektronvolt (eV) cinsinden büyüklüğüdür. Düşük banda, değerlik bandı denir ve kristal içindeki özel kafes alanlarına bağlanan elektronlara karşılık gelir. Onlar, silikon veya germanyum durumunda kristal içindeki atomlar arası kuvvetleri oluşturan kovalent bağlanmanın bir parçasıdır. Bir sonraki yüksek katlı banda iletim bandı denir ve kristalden geçmek için serbest olan elektronları temsil eder. Bu gruptaki elektronlar malzemenin elektrik iletkenliğine katkıda bulunurlar. İki bant, bant aralığı ile ayrılır ve boyutu; malzemenin bir yarıiletken veya yalıtkan olarak sınıflandırılıp bırakılmadığını belirler.

Kristal içindeki elektronların sayısı, valans bandındaki tüm mevcut alanları doldurmak için yeterlidir. Termal uyarımın yokluğunda, hem yalıtıcılar hem de yarı iletkenler, değerlik bandının tamamen dolduğu ve iletim bandının tamamen boş olduğu bir konfigürasyona sahip olacaktı. Bu akla yatkın koşullar altında, teorik olarak herhangi bir elektrik iletkenliği göstermez.

Bir metalde, en çok işgal edilen enerji bandı tamamen dolu değildir. Bu nedenle, elektronlar malzeme boyunca kolayca geçebilir, çünkü yukarıdaki işgal edilmiş durumlara yalnızca küçük bir artan enerji sağlamaları gerekir. Bu nedenle, metaller her zaman çok yüksek bir elektrik iletkenliği ile karakterizedir. Öte yandan izolatörler veya yarı iletkenlerde, elektron iletim bandına erişmek için önce enerji bandı aralığını geçmeli ve iletkenlik bu nedenle çok daha düşük büyüklükte olmalıdır.

Tablo 1: Çeşitli yarı iletkenler için bant boşlukları ve en uzun dalga boyları

İzolatörler için bant aralığı genellikle 5 eV veya daha fazladır, oysa yarı iletkenler için aralık oldukça düşüktür. (Tablo 1). Dalga boyu ne kadar uzun olursa, bir fotoelektrik etki ortaya çıkması için o kadar az enerjiye ihtiyaç duyulur. Şekil 1a’da Frekansı υ1 olan foton kristale çarptığında enerjisi, elektronu değerlik bandındaki kendi alanından ayırmak için yeterince yüksek olacak onu bant aralığından daha yüksek bir enerji seviyesinde bir iletken banda iter. Bu bantta, elektron bir akım taşıyıcısı olarak hizmet eder. Valans bandındaki bir elektron eksikliği de bir cari taşıyıcı olarak işlev gören bir delik oluşturur.

Bu, maddenin özgül direncinin azaltılması ile kendini gösterir. Öte yandan, Şekil 1b, daha düşük bir frekansta olan bir fotonun, elektronu bant aralığı boyunca itmek için yeterli enerjisine sahip olmadığını gösterir. Enerji, mevcut taşıyıcılar oluşturmadan serbest bırakılır. Enerji boşluğu, altında ışık hassasiyete sahip bir eşik görevi görür. Bununla birlikte, eşik ani değildir. Foton uyuma süreci boyunca, momentumu koruma yasası geçerlidir.

Hol elektronlarının momentumu ve yoğunluğu, hem valans hem de iletken bantların merkezinde yüksektir ve bantların üst ve alt uçlarında sıfıra düşerler. Bu nedenle, iletken bant içindeki bir momentum alanına benzer uyarılmış bir valans-band elektronunun olasılığı bantların merkezinde daha fazladır ve bantların uçlarındaki en düşük değerdir. Bu nedenle, bir maddenin foton enerjisine verdiği tepki, örnek olarak, Eg'den kademeli olarak maksimuma yükselir ve daha sonra değerlik bandının dibi ve iletim bandının üstü arasındaki farka karşılık gelen enerjide sıfıra düşer. Bir yarı iletken malzemenin tipik bir spektral tepkisi Şekil 2’de gösterilmektedir.

Şekil 2: Kızılötesi fotodiyotun spektral tepkisi.

Bir yığın malzemenin ışık tepkisi, çeşitli safsızlıklar ekleyerek değiştirilebilir. Bunlar, malzemenin spektral tepkisini yeniden şekillendirmek ve değiştirmek için kullanabilirler. Elektromanyetik radyasyonun fotonlarını doğrudan yük taşıyıcılarına dönüştüren tüm cihazlara kuantum dedektörleri denir ve genellikle fotodiyot, fototransistör ve fotoresistörlerin bir formunda üretilir.

Farklı fotodelektörlerin özelliklerini karşılaştırırken, genellikle aşağıdaki özellikler dikkate alınmalıdır:

NEP (Eşdeğer Gürültü Gücü)

Dedektörün tespit edebileceği minimum gücü belirlemek için eşdeğer gürültü gücü ( NEP ) olarak bilinen birim kullanılır. NEP, gürültü işareti tarafından üretilen işaretin büyüklüğüne eşit bir çıkış işareti üreten ışık şiddetidir. Böylece NEP, tespit edilebilecek minimum ışık şiddetinin bir ölçüsünü vermektedir.

Gürültülü seviyesi bant genişliğinin kare köküne orantılı olduğundan, NEP,

birimiyle ifade edilir:

Detectivity D*:

1 cm²’lik hassas alan ve 1 Hz’lik bir gürültü bant genişliği olan bir dedektörün algılama özelliğini ifade eder:

Detectivity, sensörün sinyal ve gürültü oranını ölçmenin bir başka yoludur. D, çalışma frekansları için spektral aralık boyunca aynı değildir. Bu nedenle doğrama frekansı ve spektral içerik de belirtmelidir. Duyarlılık cm √Hz / W birimiyle ifade edilir.

D* değeri ne kadar yüksek olursa, detektörün o kadar iyi olduğu söylenebilir.

IR kesme dalga boyu (λc):

IR Kesme Dalga Boyu, spektral tepkinin uzun dalga boyu sınırını temsil eder ve genellikle detektivitenintepe değerinin %10’u düştüğü dalga boyu olarak listelenir.

Maksimum Akım:

Sabit akımlarda çalışan fotoiletken dedektörler (HgCdTe gibi) için maksimum akım belirtilmiştir. Çalışma akımı hiçbir zaman maksimum sınırı aşmamalıdır.

Maksimum Ters Gerilim:

Ge ve Si fotodiyotları ve foto iletken hücreler için maksimum ters gerilim belirtilmiştir. Bu gerilimin aşılması, sensörün performansının ciddi derecede bozulmasına neden olabilir.

Işın verici tepki oranı, A/W veya V/W cinsinden ifade edilen belirli bir dalga boyundaki bölünen ışınım gücüne bölünen çıkış fotoakımı (veya çıkış voltajı) oranını ifade eder.

Görüş Alanı/Field of Viev (FOV):

Sensörün radyasyon kaynağına tepki verebileceği alan hacminin açısal ölçüsüdür.

Bağlantı kapasitesi (Cj):

Paralel plaka kondansatörün kapasitansına benzer. Yüksek hızlı tepki gerektiğinde göz önüne alınmalıdır. Cj değeri ters bias ile düşer ve daha büyük diyot alanları için daha yüksektir.

Kaynak:

►ElectricalEngineeringPortal