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Resumo aula anterior
• Figuras de mérito dos detectores: NEP, R, c, D
• Dois tipos de detectores:
– Fotônicos
– Térmicos
• Detectores fotônicos:
– Fotoemissivos: tubos a vácuo, efeito fotoelétrico,
channeltron, PMT
– Semicondutores: fotodiodos, fotocondutores, fotovoltaicos
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Nosso último assunto foi sobre fotodiodos de Si
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Fotodiodo • Fotoexcitação numa junção pn
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Fenômenos na junção pn
a) Junção pn com pol. Reversa
b) Diagrama de banda de energia
c) Distribuição de portadores minoritários
Circuito aberto
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Fotodiodo de silício
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Detectores fotovoltaicos
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Resposta espectral de D* de
detectores fotovoltaicos
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O mesmo principio é usado na obtenção de células solares
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http://www.specmat.com/Overview%20of%20Solar%20Cells.html
A = encapsulamento que sela a célula do ambiente externo, pode ser vidro ou
plástico
B = grade de contato, bom material condutor, que pode servir como coletor de
elétrons
C = Camada Anti-Refletora, com índice de refração e espessura apropriados, guia a
luz para dentro da célula, evitando que a luz incidente seja refletida para fora da
célula
D = silício tipo -n (e.g. P ou As como impurezas)
E = silício tipo -p (e.g. B)
F = contato metálico recobrindo toda a base da célula
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Numa maneira ilustrativa
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Cálculo de célula solar
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pnapp/solarcell/index.html
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Eficiência da célula solar
• É um tema atual, pode-se dizer que existe até publicações indicando até 100% de eficiência?
• http://www.tgdaily.com/content/view/39807/113/
• The material is comprised of a hybrid of plastics, molybdenum and titanium.
• Outro: http://www.nature.com/naturejobs/science/jobs/89795-Nitride-materials-for-high-efficiency-solar-cells
MaterialEfficiency in lab (%)
Efficiency of production cell (%)
monocrystalline silicon about 24 14-17
polycrystalline silicon about 18 13-15
amorphous silicon about 13 5-7
Como era considerado:
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Eficiência de células solares
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Outros detectores
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• Detectores PIN e APD
• Detectores térmicos
• Fotoacústicos
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Detectores usados em fibras ópticas
• PIN diode ou diodo PIN (P Intrinsic N). O diodo PIN possui uma camada intrínseca entre as camadas P e N de um diodo.
• APD (Avalanche PhotoDiode) ou fotodiodo de avalanche. Mais sensível que o fotodiodo pin
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Fotodiodo pn (a) e fotodiodo pin (b)
Circuito equivalente
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Fotodiodo pin• A camada intrínseca serve para aumentar a região da junção,
conseqüentemente melhora a fotoconversão.• Modo fotovoltaico qdo não há campo externo• Modo fotocondutor qdo polarizado por fonte externa
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Resposta espectral fotodiodo pin de Si
Responsividade típica R
A – REALÇADO PARA 900nmB – REALÇADO PARA 1060nm
Destaque para algumas fontes emissivas
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Fotodiodo avalanche (APD)
• A desvantagem de um
fotodiodo pin produzir apenas
um par de portadores de carga.
No APD uma ddp aplicada de
forma reversa de até 2kV
acelera os fotoelétrons de
maneira que cada fotoelétron
primário resulta em milhares de
elétrons no eletrodo.
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http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/digitalimaging/avalanche/index.html
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PIN e APD
Tabela 1 – Comparação de fotodiodo PIN e APDs
Parametro PIN APDs
Tipo de material
Si, Ge, InGaAs Si, Ge, InGaAs
Largura de banda
DC a 40+ GHz DC a 40+ GHz
Comprimento de onda
0.6 to 1.8 µm 0.6 to 1.8 µm
Eficiência de conversão
0.5 to 1.0 Amps/Watt
0.5 to 100 Amps/Watt
Circuito eletrônico de
apoioNão precisa
Alta tensão, temperatura estabilizada
Custos (pronto para fibra)
$1 to $500 $100 to $2,000
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Sem esquecer o fototransistor
Prático, mas convêm ainda o APD
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Como aumentar a absorção de luz do detector?
• Aumentar a sensitividade do detector com filmes
anti-refletores.
• Criar armadilhas de fótons através de bobinas de
nano-fios refrigerados THeL. Aumento de fótons
armadilhados => aumento na eficiência de
conversão.
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Detectores térmicos
Termopar Piroelétrico Bolômetro
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Origem do termopar
• Efeito Seebeck
Thomas Johann Seebeck (1770-1831)• Profissão• Descoberta – bússola
• Também denominado de efeito termoelétrico.
• Existem outros efeitos termoelétricos.
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Efeitos termoelétricos
• Efeito Seebeck
• Efeito Peltier
• Efeito Thomson
Ocorre quando portadores de carga moveis estão sujeitosà influencia de gradientes de temperatura e/ou gradientesde potencial elétrico. Na ausência de um campo magnéticoexistem três tipos de efeitos termoelétricos.
S.O. Kasap -Thermoelectric effects in metals
In 1851 William Thomson (later Lord Kelvin)
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Efeito Seebeck
dT
dVS
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Efeito Seebeck (Notes on using thermocouples - Dr. Robert J. Moffat, Stanford University)
• O coeficiente de Seebeck:
dT
dVS
• Ferro-constantan (J)
• Cromel-alumel (K)
• Cobre-constantan (T)
• Outros
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Efeito Peltier
• É o efeito reverso do Seebeck
Metal
Semicondutor
é o coeficiente de Peltier
Refrigeração, uso doméstico, detectores
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Efeito Thomson – Lord Kelvin 1851
• Descreve o aquecimento ou resfriamento de um condutor portador de carga com a gradiente de temperatura.
resistividade
J densidade de corrente
coeficiente de Thomson(pode ser +-, depende do material)
dT/dx gradiente de temperatura
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Série termoelétrica
• Silicon
Bismuth
Nickel
Cobalt
Palladium
Platinum
Uranium
Copper
Manganese
Titanium
• Mercury
Lead
Tin
Chromium
Molybdenum
Rhodinium
Iridium
Gold
Silver
• Aluminium
Zinc
Tungsten
Cadmium
Iron
Arsenic
Tellurium
Germanium
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Termopar - Termopilha
• Termopilha Leybold Resposta de 0,16 mV/mW
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Outro esquema da termopilha
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Outros detectores considerados térmicos
Piroelétrico• Material não-condutor
T ~ Q• Baixa potência de
detecção• Não recomendável
para CW
• TGS
• DTGS
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Efeito piroelétrico
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Fotoacustica
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Fotoacustica – 1880 – AG Bell - fotofone
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Fotoacústica – janela opto-térmica
Janela com propriedades de coef. de expansão térmica alto
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Fotoacústica
http://www.photonics.cusat.edu/Research_Photoacoustics.html
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Fotoacústica
Variable Temperature Photoacoustic Cell
Variable Temperature Photoacoustic Cell
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Fotoacústica
Liquid Photoacoustic Cell
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Fotoacústica - microfone
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Fotoacústica – espectrômetro
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Outros detectores
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Bolômetro – 1878 – Samuel Pierpoint Langley
I ~ R
200 – 1mm
50mK – 300mK
Astronomia
Partículas
Detector que mede a qtd de radiação incidente medindo mudança de resistência produzido pelo
aquecimento provocado pela radiação
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Célula de Golay – (1947 – MJE Golay)
Faixa espectral: 1 – 4mm
NEP: 7x10-10 W/Hz1/2
Responsividade: 350V/W
Tau: 6ms
Área sensitiva: 1mmX1mm
1.- janela2.- filme
semitransparente3.- 4.-5.- sistema re-focagem6.- 7.-8.- LED9.-10.-11.- fotodiodo
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Câmera CCD• CCD = Charge Coupled Device – 1969 – Willard Boyle & George Smith - ATT
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CCD
Capturar e armazenar imagens:
- Scanners
- Telescópio
- Leitora codigo de barras
- Cameras de video e fotográficas
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Resumo de detectores
Dispositivo Parâmetro sensitivo Região espectral
Fotocelula, fotomultiplicadora
Emissão de elétrons uv, vis, iv
Emulsão fotográfica Reação química uv, vis, iv
Câmera CCD(CCD)
Carga uv, vis, iv
fotovoltaico,piroelétrico,termopar
voltagem uv, vis, iv
bolômetro,fotocondutivo (LDR)
resistência iv
Célula de Golay Pressão de gás iv
Olho humano Reação química vis
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Próxima aula
• Conectores