Rivelatori UV Solar Blind
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Rivelatori UV e solar-blindRivelatori UV e solar-blind
Docente: Mauro MoscaDocente: Mauro Mosca(www.dieet.unipa.it/tfl)(www.dieet.unipa.it/tfl)
last release: 20/10/2017last release: 20/10/2017
Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM
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La radiazione ultraviolettaLa radiazione ultravioletta
Assorbimento da parte dell’ozono (da 300 a 200 nm)
Assorbimento da parte dell’ossigeno (sotto i 200 nm)
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Rivelatori UVRivelatori UV
- Rivelatori termici
- Fotorivelatori- Fotoconduttori
- Fotovoltaici
generazione di coppie e-h
campo elettrico
indipendenti da poco usati per gli UV
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Parametri dei fotorivelatoriParametri dei fotorivelatori
Responsivity
Rumore termico o di Johnson-Nyquist
Rumore shotFV FC
Rumore flicker o 1/f
g: guadagno: efficienza quantica
(agitazione termica)
(fluttuazioni casualinumero portatori)
(fluttuazioni densitàe/o mobilità portatori)
… anche Rumore di generazione-ricombinazione
(generazione casuale diportatori per vibrazionidel cristallo e lororicombinazione)
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Parametri dei fotorivelatoriParametri dei fotorivelatori
NEP specifico
Detectivity specifica
Rapporto di reiezione UV/vis =Ri (UV)
Ri (vis)
the signal power that gives a signal-to-noise ratio of one in a fixed output bandwidth (1 Hz)
NEP:
D = 1/NEP
Detectivity
permits a comparison ofdetectors that have different areas
rumore bianco: potenza Pn all’interno di una banda proporzionale alla banda stessa
In, Vn ∩ f1/2
Pn ∩ Aopt
In, Vn ∩ Aopt1/2
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Materiali per la rivelazione UVMateriali per la rivelazione UV
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Silicon photodiode: responsivitySilicon photodiode: responsivity
hc
GeG
h
e
P
iR
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Fotodiodi al Si per l’UVFotodiodi al Si per l’UV
normale
blue-enhanced
UV-enhanced
strato di SiO2 vs: 104 100 cm s-1
Varie tecniche:
-strato d’inversione-strutture p+n-strutture np-luminofori
Svantaggi:
-alta sensibilità IR-degrado UV
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Fotodiodi UV-Si a strato d’inversioneFotodiodi UV-Si a strato d’inversione
( )
induced junction
high electric field
collection of photocarrierwith short penetration depth
The effects of the high surfacerecombination are counteracted
drawback:
high sheet resistancein the inversion layer
slow response time(≈ 5 s)
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Nitride-based photoconductorsNitride-based photoconductors
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Responsivity di un fotoconduttoreResponsivity di un fotoconduttore
- rumore shot e g-r a frequenze intermedie- rumore 1/f a basse frequenze
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Perché Perché gg > 1? > 1?
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Responsivity di un fotoconduttoreResponsivity di un fotoconduttore
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Responsivity di un fotoconduttoreResponsivity di un fotoconduttore
P -
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Perché risposta sotto la bandgap?Perché risposta sotto la bandgap?
fenomeno di modulazione della conducibilità lento!
PPC: col buio le barrieresi alzano nuovamente
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Responsivity di un fotoconduttore in AlGaNResponsivity di un fotoconduttore in AlGaN
high activationenergy bothfor p, and n dopingdifficult toobtainohmic contacts
with high Al%p doping ishard to obtain
problems of cracks that increase with Al%!!!
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Rivelatori a giunzione Rivelatori a giunzione p-np-n
sottile
portatoriminoritari
Nel GaNla zona pviene cresciutasu quella n
p n
portatorimaggioritari
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Rivelatore a giunzione Rivelatore a giunzione p-np-n
oppure…
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p-i-np-i-n photodiode photodiode
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Fotorivelatori Fotorivelatori p-i-np-i-n
zona svuotata ampia
aumenta percentuale difotoni assorbiti nellazona di carica spaziale
diminuisce la capacitàdi giunzione (che è inv.proporzionale), facendoaumentare la velocitàdi risposta
w non troppo elevato, altrimenti… ttr troppo alto!!aumenta R
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Caratteristica rivelatori a giunzione Caratteristica rivelatori a giunzione p-np-n
Rmax = 0,23 A/W @280 nm
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Fotocorrente nei rivelatori Fotocorrente nei rivelatori p-np-nalta efficienza quantica con strati antiriflessoed elevato spessore della zona p (per potereassorbire tutti i fotoni) con ampia zona di svuotamento
Rumore nei fotodiodi:- rumore shot e 1/f- rumore termico
…ma ricordate che il coefficiente di assorbimento è alto per piccole quindi lo spessore della zona p può essere non troppo elevato
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Responsivity di un fotodiodo Responsivity di un fotodiodo p-np-n al GaN al GaN
alta reiezione UV/vis
perdite perdiffusione
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Linearità corrente-potenzaLinearità corrente-potenzain fotodiodi al GaNin fotodiodi al GaN
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Responsivity di fotodiodi in AlGaNResponsivity di fotodiodi in AlGaN
peggiora la qualitàdel cristallo
diminuisce Le
(si ricombinano primadi arrivare alla giunzione)
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Effetto della lunghezza di diffusioneEffetto della lunghezza di diffusione
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Rivelatori SchottkyRivelatori Schottky
-- -- -
-
trasporto:portatori maggioritari
risposta sotto gap
più facile con il GaN (e l’AlGaN) ottenere giunzioni Schottkypiuttosto che ohmiche
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Rivelatori Schottky in Rivelatori Schottky in nn-AlGaN-AlGaN
costante!(no diffusione da zona p)(ma diminuisce con l’Al)
alta velocità(V inversa)
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Rivelatori MSM: elettrodi interdigitatiRivelatori MSM: elettrodi interdigitati
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Rivelatori MSM: diagramma a bandeRivelatori MSM: diagramma a bande
in assenzadi
polarizzazione
doppiabarriera
noconduzione
tensione disvuotamento
tensionedi banda
piatta
bande si incurvano(iniezionelacune)
breakdown
pol. inv. pol. dir.
all’aumentare dellaV di polarizzazione,aumenta la zona svuotata al contatto n
barriera lato p sempre meno efficace
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Caratteristiche dei rivelatori MSM in GaNCaratteristiche dei rivelatori MSM in GaN
- rumore shot e 1/f
possibile effetto tunnel (guadagno) aumentando la tensione di polarizzazione
necessaria tensione inversa
(negli Schottky invece…)Barriere SchottkyNo guadagno(non è possibile l’iniezionedi portatori)
Bassissima dark current(fino ad una certa tensione…)
tempi di risposta:limitati quasi esclusivamente dal tempo necessario ai portatori per attraversare la distanza tra gli elettrodi
barriera p non più efficace
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Responsivity dei rivelatori MSMResponsivity dei rivelatori MSMin GaN e AlGaNin GaN e AlGaN
drogaggio + basso:- aumento regione carica spaziale attorno ai contatti- diminuzione dark current
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Back illumination: Window layerBack illumination: Window layer
effetto della“window”
effetto fotoelettrico interno
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Applicazioni in biofotonica:Applicazioni in biofotonica:erithema weighted detectorserithema weighted detectors
represents the sensitivity of human skin to sunburn
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Rivelatori di fiamma Rivelatori di fiamma solar-blindsolar-blind
ioni OH-
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Rivelatori di fiamma Rivelatori di fiamma solar-blindsolar-blind