Univerzitet "Sveti Kiril i Metodij" Skopje

Elektro - tehni~ki fakultet

D E T E K C I J A N A Z R A ^ E W E

Sodr`ina

1. Voved _____________________________________________________________ 3

2. Osnovni poimi i fizi~ki zakoni za zra~eweto ___________________ 4

2.1. Nuklearna i elektromagnetna radijacija_____________________________ 4

2.2. Fizi~ki golemini kaj zra~eweto_____________________________________ 7

2.3. Klasifikacija na detektorite na zra~ewe ___________________________ 8

3. Setila za nuklearno zra~ewe _____________________________________ 9

3.1 Scintilacioni broja~i_______________________________________________ 9

3.2 Detektori vo cvrsta sostojba________________________________________11

4. Setila za ultravioletovi, vidlivi i blisku infra - crveni zra~ewa ____________________________________________________________ 13

4.1. Opta podelba na senzorite prema branovata dol`ina_____________13

4.2. Fotoprovodni elii________________________________________________13

4.3. Fotodiodi__________________________________________________________17

4.4. Fototranzistori____________________________________________________23

4.5. Performansi na komercijalnite UV – NiR detektori na zra~ewe ____23

5. Setila za infra - crveno zra~ewe _______________________________ 24

5.1. Karakteristiki na IR detektori ____________________________________24

5.2. Fotoprovodni infra - crveni senzori______________________________26

5.3. Fotonaponski infra crveni senzori _______________________________27

5.4. Piroelektri~ni senzori____________________________________________28

5.5. Osobini na komercijalnite napravi (aparati) ______________________30

6. Zaklu~ok _________________________________________________________ 31

___________________________________________________________________ 2

1. Voved

Ispituvaweto na zra~eweto deneska pretstavuva posebna granka od teorijata na elektromagnetnite branovi. So ispituvaweto na zra~eweto se opredeluvaat karakterot, svojstvata i karakteristikite na istoto so cel da se najde vrska pome|u teoretskite i ekspreimentalnite rezultati. Zatoa se opiuvaat najprvin zakonite na infracrvenoto, vidlivoto, ultravioletovoto i nuklearnoto zra~ewe. Vsunost ovde se prika`ani i zavisnostite pome|u oddelni zra~ewa, nivnite karakteristiki, kako i odnesuvaweto vo razli~ni sredini. No na primaren interes se setilata za detekcija na zra~eweto, principot na koi tie rabotat, nivnite karakteristiki, kako i materijalite od koi se izraboteni i materijalite koi se koristat za detekcija na soodvetnite vidovi na zra~ewe. Vsunost ovde se opiani razli~ni zra~ewa i na koj na~in tie da se otkrivaat i kakvi se setilata za nivna detekcija

___________________________________________________________________ 3

Detekcija na zra~ewa Predmet:

• Zapoznavawe so predmetot na radiacioni mikrosenzori • Navraawe kon nivniot princip na rabota • Nivna odredena primena

2. Osnovni poimi i fizi~ki zakoni za zra~eweto

2.1. Nuklearna i elektromagnetna radijacija

Emisijata na ~estici ili elektromagnetni zraci (branovi) pretstavuvaat radijacija (zra~ewe). ^esticite emitirani od predmet se naj~esto nuklearni ~estici t.e. ~estici to mo`at da bidat emitirani od odredeno jadro. Tie mo`at da bidat sozdadeni pri raspa|awe na radioaktiven materijal ili pri (interakcija) zaemno dejstvo na jadroto so nekoj drug izvor na energija. Nuklearnite ~esti~ki za razlika od elektromagnetnite zraci (branovi), imaat opredelena masa vo miruvawe. Ovaa masa e iskoristena za grupirawe na nuklearnite ~estici vo nekolku grupi: barjoni (teki ~estici), mezoni (sredni) i leptoni (lesni ~estici).

Alfa (α) i beta (β) zraci se imiwata na dvete naj~esti

nuklearni ~estici koi se emitiraat od prirodni materii. α-~esticata e vsunost naelektrizirano jadro na atom od helium t.e. heliumov jon. Primer, radiumot ~esto se sreava vo granit i prirodno e radioaktiven. Radiumot (Ra) koj ima atomska masa Az = 266 i reden broj Za = 88 se raspa|a od gas na Radon (Az = 222 i Za = 86) i α-~estica (Az = 4, Za = 2). Ovoj proces mo`e da se zapie kako:

(2.1) 42

22286

22688 HeRnRa +→

Emitiranata α - ~estica se sostoi od dva protona i dva

neutrona (so polne` 2+) i ima kineti~ka energija 4 i 5 MeV. Radonot koj ako bide vdien e teten po zdravjeto, e isto taka radioaktiven i mo`e da se raspadne od ute edna α-~astica od 5.5. MeV. Bideji radonot e te`ok gas, se koncentrira najzdola, pa pumpite mo`at da se postavat na nivo na podot za da go otstranat radioaktivniot gas od kuite izgradeni na granit. Drugi radioaktivni materijali mo`at da se raspadnat taka to da emitiraat neutroni i protoni koi isto taka pripa|aat vo grupata na bajroni. Neutronite i protonite imaat sli~na masa (≈ 0,25 na taa na α-~esticata) samo to protonite imaat eden pozitiven polne`.

___________________________________________________________________ 4

β-~esticite se energetski ~estici so masa vo miruvawe na elektron, koi emitirani od izvorot (radioaktiven ili neradioaktiven) imaat mnogu pomala masa i se nare~eni leptoni. β-~esticite se elektroni, na pozitivno naelektrizirani ~estici β+ so ista masa se nare~eni pozitroni.

Tabela 2.1. gi rezimira naj~estite nuklearni ~estici koi se

otkrivaat so detektor na zra~ewe. ^esticata neutralna koja skoro i da nema masa ~esto se sreava kako proizvod pri zra~ewe. Masata na neutralnoto e nepoznata i e mnogu mala, no mo`e da ima mnogu golema energija.

Tabela 2.1.

Elektromagnetno zra~ewe e vsunost fluks od ~estici bez

masa vo miruvawe ili energetski kvanti. Elektromagnetnite ~estici nemaat masa vo miruvawe i obi~no se opiuvaat kako branovi, a ne kako ~estici. Se dvi`at so brzina na svetlinata vo vakum i imaat masa ekvivalentna na energijata Er koja se povrzuva so nivnata frekvencija f ili nivnata branova dol`ina λ preku:

(2.2) λ

cR

vhfhE ⋅=⋅=

kade h e plankova konstanta i ima vrednost ednakva na

JS 1063,6 34−⋅=h Bideji energijata na elektromagnetnite ~estici e propolcionalna na nivnata frekvencija, voobi~aeno e

___________________________________________________________________ 5

elektromagnetnoto zra~ewe da se klasificira spored negovata frekvencija kako osnovno svojstvo. Na slika 2.1 e prika`an celiot elektromagneten spektar po~nuvaji od ~esti~kite na kosmi~koto zra~ewe so najvisoka energija (ER ≈ GeV), pa se do radiobranovite so najniska energija (ER ≈ neV).

Slika 2.1

Mnogu od ovie tipovi na zra~ewe se upotrebuvani vo

sekojdnevniot `ivot. Rengenskite zraci se koristat da go prika`at ~ove~kiot sklet vo medicinata.

Ultravioletovoto zra~ewe se koristi da se dobie veta~ko

isun~an ten. Vidlivoto zra~ewe (svetlinata) zabele`ano od ~ovekovoto oko pokriva mal del od spektarot (400 ÷ 700) mm.

___________________________________________________________________ 6

Vidlivoto zra~ewe e od golema va`nost i ima iroka primena (komori, opto-elektronikata) i.t.n.

Infracrvenoto zra~ewe se upotrebuva za ispituvawe na

svojstvata na molekulite ili za merewe na temperaturata. Mikrobranovite i radarskoto zra~ewe mo`e isto taka da se iskoristat za zatopluvawe. Na kraj radiobranovite se koristat vo mnogu komunikacioni sistemi.

Za napravite so koi se otkriva zra~eweto e se govori tokmu vo

ova poglavje. Principite na osnovnite napravi e se razgleduvaat ovde koi podocna mo`e da se iskoristat vo drugi sistemi za detekcija.

2.2. Fizi~ki golemini kaj zra~eweto Nekolku parametri se koristat da gi okarakteriziraat svojstvata na nuklearnata ~esti~ka na zra~eweto. Kako prvo energijata na ~esti~kata se povrzuva so brzinata so koja se dvi`i. Koj nerelativisti~ki ~estici kineti~kata energija Ek se povrzuva so brzinata na ~esticata v preku: R

(2.3) 21 2

RRK vmE =

kade mR e masata na ~esticata na zra~eweto. Monosta R e promena na energijata vo edinica vreme i se povrzuva so kineti~kata energija preku relacijata:

P = (d Ek / dt) = Ek ⋅ ΦR (2.4)

Koga snopot na ~estici se emitira od odreden izvor va`no e da se znae i monosta na edinica povrina A ili prostorniot agol Ω.

Na tabela 2.2. se rezimirani nekoi osnovni radiometriski

(elektromagnetni) i fotometriski (vidliva svetlina) termini

___________________________________________________________________ 7

zaedno so onie za ~esticite. Tabela 2.2.

Izvorot na zra~ewe obi~no emitira zra~ewe vo slu~ajni nasoki

(nepredvidlivi). Taka mal izvor mo`e da se smeta deka emitira zra~ewe na odredeno nivo na monost vo prostoren agol od 4π steradijani. Intenzitetot e na toj na~in daden preku:

IR = (P / Ω) = P / (4 ⋅ π ) (W / sr) (2.5)

Za kolimiran izvor na zra~ewe, e mo`no da se koristi planaren intenzitet koj ednostavno prestavuva monost na edinica povrina

IR = P / A (2.6)

Na golemi dale~ini od to~kast izvor na zra~ewe (pr: sonceto), zra~eweto e pribli`no kolimirano, pa taka varijaciite na agolot mo`at da se izostavat.

2.3. Klasifikacija na detektorite na zra~ewe

Detektorite na zra~ewe mo`e da se klasificiraat kako nekontaktni detektori, bideeji od daleku ja otkrivaat emisijata na najrazli~ni ~estici ili elektromagnetno zra~ewe (pr: UV, IR)(vidi sl.2.2.). Detektorite na zra~ewe mo`at prakti~no da se podelat na dve grupi: nuklearni ~estici i elektromagnetno zra~ewe. Detektorite na nuklearni ~estici naj~esto se koristat da gi merat ~esticite ili supstancite emitinirani od radioaktivnite materii kako α, β- ~estici (brzi elektroni), i tekite ~estici (neutroni, protoni i.t.n.). Tie mo`e de go merat elektromagnetnoto zra~ewe kako γ, x - zracite emitirani od izvori na zra~ewe. Detektorite na nuklearni ~estici koj gi otkrivaat i ~esticite i elektromagnetnoto zra~ewe se poznati kako detektori na nukleoni.

___________________________________________________________________ 8

Slika 2.2.

Ima odredeni detektori na zra~ewe za koi ovde nema da zboruvame. Vo tie spa|a i gas - detektorot koj voglavno se sostoi od gasna komora, bideji nuklearnata ~estica patuva preku gasot, toa sodejstvuva so molekulite i formira jonski parovi. Tie mo`at da se vizualiziraat vo Vilsonova komora ili pak dobienite joni da bidat ubrzani so pomo na elektri~no pole i umno`eni. Razli~ni metodi se koristat da se izmeri i strujata (jonizacioni komori) i poedine~nite impulsi (proporcionalni broja~i, Gajgerov broja~). Pod odredeni uslovi dvi`eweto na elekritrizirana ~estica vo provodna sredina mo`e da se otkrie so pomo na karakteristi~en ^erenkov emiter na svetlina nare~en ^erenkov detektor.

Pogolemiot del od elektromagnetniot spektar mo`e da se meri so koristewe na detektor vo cvrsta sostojba kako na pr. Siliciumska fotodioda (x - zraci, NIR) ili piroelektri~en detektor. Ovie detektori ja merat energijata na zra~ewe ili fluks vo edna to~ka vo prostorot i mo`e da se smetaat kako to~kasti ili diskretni detektori. Ovoj tip na detektor ~esto se koristi kako osnoven primer za drugi tipovi detektori.

3. Setila za nuklearno zra~ewe

3.1 Scintilacioni broja~i Scintilacionite broja~i se sostojat od aktiven materijal koj

vlezno nuklearnoto zra~ewe go pretvora vo impulsi od svetlina konvertor za svetlosno - elektri~ni impulsi (fotomultiplikatorska cevka) i elektronski poja~uva~ (procesor).

___________________________________________________________________ 9

Aktivnata materija scintilira e neorganski ili organski kristal, prav ili te~nost. Goleminata na scitilatorot varira vo zavisnost od energijata na zra~eweto, od tenki lenti vo tvrda sostojba do golemi rezervoari vo te~nost da gi meri kosmi~kite zraci. Nekoi neorganski i plasti~ni scintilatori mo`at da se klasificiraat kako detektori, iako otkrivaat poslabo elektromagnetno zra~ewe.

Na tabela 3.1. e prika`ana lista na nekoi neorganski scintilacioni materijali so nivnata gustina, svetlina na izlezot i vreme na raspa|awe.

Natrium jodid (so dodatok na talium) naj~esto se upotrebuva kaj detektorite na x i γ zra~ewe, no e mnogu hidroskopen materijal. CsJ isto taka se koristi bideji e pootporen na udar i pomalku hidroskopen. Zatoa CsJ (Tl) scintilacioni detektori se koristat vo vselenski brodovi i sateliti. CsJ (Tl) detektorite isto taka se koristat kako detektori na α - ~estici bideji ne se osetlivi na vla`nost.

Bi Ge O4 13 12 ima visoka monost na apsorpcija od 170 KeV, h-zraci i se koristi isklu~ivo za tomografi~ki skeneri.

Tabela 3.1.

LiJ (Eu) se koristi da otkriva neutroni koristeji zbogaten 6Li, otkolku 7Li. Na sobna temperatura gi meri bavnite neutroni, no na mnogu niski temperaturi (pr. na 77 K ) mo`e da meri i brzi neutroni. Kako i da e LiJ (Eu) detektorite se skapi i mnogu hidroskopni.

___________________________________________________________________ 10

CaF2 (Eu) mo`e da se koristi kako detektor za β-~estici bideji e inerten i ne e hidroskopen.

Organskite scintilacioni materijali se koristat kako zamena na neorganskite materijali. Antracintnite kristali se me|u prvite koi se koristele, no sega za razli~ni plastiki se pravat. Ovie plastiki se polesni za proizveduvawe otkolku neorganskite materijali i imaat kratok period na raspa|awe (≈ ns). Zatoa tie imaat iroka primena za merewe na nuklearnoto zra~ewe (vidi tabela 3.2.).

Tabela 3.2.

3.2 Detektori vo cvrsta sostojba

Upotrebata na materijali vo cvrsta sostojba i poluprovodlivi materijali vo nuklearnite detektori na zra~ewe e mnogu po`elno. Pogolem interes ima za siliciumot i germaniumot i pokraj prou~uvaweto na drugi poluprovodnici kako CdTe, HgJ i GaAs. 2

Zra~eweto e apsorbirano od poluprovodlivi materijali a

___________________________________________________________________ 11

nivoto na apsorpcija varira vo materijalot i energijata na zra~ewe. Glavnite tri procesi koi vodat do apsorpcija na zra~eweto se: pri niska energija dominira fotoelektri~niot efekt, pri sredna energija - komptonoviot efekt, i pri visoka energija - paralelna produkcija (vidi sl. 3.1.).

Slika 3.1. Fotoelektri~niot efekt dominira pri niska energija (pod 100

KeV) i e va`en pri otkrivaweto na h-zraci i meki γ-zraci.

Pri sredna energija (0.1 - 1 MeV) Komtonoviot efekt dominira kade zra~niot foton prenesuva samo del od negovata energija na valentniot elektron.

Na krajot, pri fotonska energija nad 1.02 MeV slu~ajniot foton mo`e da bide apsorbiran da proizvede eden par elektron - pozitron. Preostanatata energija na masata potrebna da sozdade par (1,02 MeV) e zagubena . Dobienite elektroni i praznini ja gubat nivnata energija preku sudari (na pr. Komptonov efekt) so pozitron soedinuvaji za da proizvedat 2 gama zraci sekoj od niv so 0,51 MeV. Ovie gama zraci vo vzaemno dejstvo so Komptonoviot efekt ili fotoelektri~niot efekt proizvedaat povee parovi elektron - praznini.

Nuklearnite detektori za zra~ewe vo cvrsta sostojba, se

povee fotodiodi otkolku fotoprovodnici. Fotodiodata e pred se, eden p - n spoj koj se dobiva so povratna polarizacija (vidi sl. 3.2.). Fotonot proizveduva eden par elektron - praznina vo oblasta za praznina koi se odvoeni i taka protekuva elektri~na struja.

___________________________________________________________________ 12

Slika 3.2

Osetlivosta na cvrstite fotodiodi jo preminuva onaa za NaJ (natrium jodit) so faktor okolu 10. Sledstveno, cvrstite fotodiodi mo`e da bidat upotrebeni za analiza na energetski spektri so mnogu pogolem stepen na to~nost. Detektorite vo cvrsta sostojba mo`at da se koristat vo vakuum i na niski temperaturi (na pr. 77 K) za zgolemuvawe na efikasnosta. Kako i da e, detektorite koi zafaaat golema povrina se skapi i scintilacionite broja~i davaat pobrzi odgovori so to se namaluvaat grekite pri broeweto.

4. Setila za ultravioletovi, vidlivi i blisku infra - crveni zra~ewa

4.1. Opta podelba na senzorite prema branovata dol`ina

Va`ni oblasti od elektromagnetniot spektar na detektorite (mikrosenzori) se ultravioletovite (UV, 0,002 - 0,4 μm) vidlivite (ViS, 0,4 – 0,7 μm) i infracrvenite (IR, 0,7 – 500 μm). Infra - crvenata oblast mo`e ponatamu da se podeli na oblast blizu do infra - crveni (NiR) so okolu 0,7 do 1,7μm. I glavna infra - crvena oblast so 1,7 do 500 μm. Ova e korisno da se ispita UV – ViS - NiR oblasta kako celina zatoa to voobi~ajnite poluprovodni~ki materijali se koristat vo ovaa oblast. Slikata 4.1. go prika`uva rabotnoto podra~je na senzorite vklu~itelno i poluprovodni~kite materijali vo UV – ViS – NiR i IR oblast. O~igledno siliciumot e va`en materijal oti pokriva irok del od UV – ViS – NiR spektarot. Taka, mikroelektronskite silikonski napravi kako siliciumskite fotodiodi se upotrebuvaat za otkrivawe (detektirawe) na zra~ewe i e bidat obraboteni detalno podocna vo ovaa glava. Drugi materijali i principi se upotrebeni za otkrivawe na IR zra~ewe, kako to se PbS eliite ili piroelektri~ni detektori, a e bidat opiani vo slednata sekcija.

4.2. Fotoprovodni elii

___________________________________________________________________ 13

Fotoprovodnite elii se poluprovodni senzori koi go koristat fotoprovodniot efekt pri koi fotoprovodniot materijal go smaluva svojot otpor pri upa|awe na svetlina. Tie po nekoga se odnesuvaat kako zavisni svetlosni otpornici. Slikata 4.2 ja poka`uva osnovnata konfiguracija na fotoprovodnite elii.

Slika 4.1.

Na temno, otporot na elijata e mnogu visok (MΩ) vo provodnoto podra~je to e sporedlivo so k ⋅ T. Otporot opa|a koga intenzitetot na svetlinata raste vo sprotivno toj raste.

Slika 4.2.

___________________________________________________________________ 14

Kadmium sulfidot se upotrebuva mnogu kako fotoprovoden materijal. Negovoto spektralno podra~je e vo sutina vidlivoto podra~je od 400 do 800 nm. (10% od najgolemata vrednost) so maksimalen odgovor okolu 550 nm, vidi sl. 4.1. Kristalniot CdS ima provodno podra~e od 2,41 eV, so donarski i akceptorski nivoi koi se skoro celosno popolneti. Fotonot e vozbuduva eden valenten elektron vo provodnoto podra~je sozdavaji par elektron - praznina koj go potpomaga provodniot proces. Akceptorskoto nivo blizu do valentnoto podra~je mo`e da gi zazeme slobodnite praznini lesno i taka ja smaluva mo`nata rekombinacija. Promenata na elektri~nata provodnost Δσ e dadena so slednata ravenka:

(4.1.) )( ppnntNe τμτμσΔ ⋅+⋅⋅= Kade μ i μn p se podvi`nostite na slobodnite elektroni i

praznini, τ se vreme na `ivot na elektronite i prazninite i N i τn p t e broj na nositeli stvoreni vo sekunda po edinica volumen. Za CdS elijata, vremeto na `ivot na prazninite e kuso pa taka taa se odnesuva kako n - tip poluprovodnik kade

(4.2.) nntNe τμσΔ ⋅⋅=Brojot na elektronite koi preminuvaat me|u elektrodite za

vreme na vozbudata od eden foton, vo odnos na preodnoto vreme tt me|u elektrodite :

(4.3.) ;2

2n

tnn

t

n

Vlt

lV

ttA

μτμ

===

Za tipi~na CdS elija, podvi`nosta e μ = 300 cm2/Vs toga τn n e 1ms , l e 0,2 mm i V e 1,2 V toga poja~uvaweto e blizu do faktor 1000 . Taka imame visoko zgolemuvawe koe vodi kon osetliv aparat.

Od Omoviot zakon, promenata na otporot ΔR na napravata se odnesuva na promenata na provodnosta (vidi sl. 4.2) i e :

(4.4.) )( 1Wl

dR

⋅=

σΔΔ

kade d e debelinata, a l/W e faktor na pravata. Taka, zakrivenosta na elektrodata se koristi kako ablon za zgolemuvawe na osetlivosta na elijata. Spektralniot odgovor na CdS elijata e proiren so dodavawe na CdSe. I pokraj toa Cd(S:Se) i CdSe eliite se ~esto odredeni kako CdS eliite poradi udobnost. Sl. 4.3 ja

___________________________________________________________________ 15

poka`uva tipi~nata promena na otporot so osvetluvaweto na CdS fotoprovoden senzor.Temniot otpor od ≈ 1MΩ na 0,1 lx otpa|a skoro eksponencijalno so logaritamska osvetlenost okolu 1kΩ na 1000 lx. Vremeto na rastewe na fotoprovodnite elii iznesuva okolu 50 ms,

Temperaturnata karakteristika na fotoprovodnite elii e opto loa i zavisi od sostavot, metodot na izrabotka i svetlosnoto nivo. Osnovniot otpor otstapuva so vremeto mo`ebi do 20 % preku 1000 h. Vo taa smisla, primenata na fotoprovodnite elii e ograni~ena povee na kontrola i detekcija na svetlina poto~no za nejzino apsolutno merewe.

Zaedni~ki primeni se: • avtomatski prefrluva~i • svetlosni prekida~i • fotoelektri~ni servomehanizmi • elektronski zatvora~i • muzi~ki kartici (aplauz) • fotoelektri~ni relei

Slika 4.3.

___________________________________________________________________ 16

Slika 4.4 Slikata 4.4 prika`uva dve osnovni rabotni kola za primena na fotoprovodna dioda kako elektronski zatvara~ so svetlosno aktivirawe i kartica za aplauz koja sviri koga podesuva~ot e se vklu~i.

43. Fotodiodi Fotodiodite mo`at da se klasificiraat kako senzori so

potenciometarsko zra~ewe zatoa to zra~eweto sozdava napon, na poluprovodni~kiot spoj. Ovoj fenomen e poznat kako fotonaponski efekt. Striktno zboruvaji fotonite sozdavaat slobodni nositeli (parovi elektron - praznina), koi se vmetnuvaat vo soodvetniote lokalni poliwa za vreme na dodavawe primesi (spoj poluprovodnik -poluprovodnik), promeni vo sostavot (heterotranzicija) ili promeni pri dvata slu~ai (heterospoj). Glavni tipovi fotodiodi se:

• p – n fotodioda • p – i - n fotodioda • fotodioda na otki • fotodioda lavinska

Fotodiotie imaat iroka primena za otkrivawe, intenzitet i branova dol`ina na UV – NiR zra~ewe. Prednosta na fotodiote nad fotoprovodnite kelii e :

• povisoka osetlivost • pobrzo vreme na odgovor • pomali dimenzii • podobra stabilnost • odli~na linearnost

Fotodiodite mo`at da se upotrebat za pokrivawe na celoto UV – NiR podra~je, preku izbor na materijal, sostav i nadvoreni opti~ki filtri. Slikata 4.5 ja poka`uva oddadenata osetlivost vo zavisnost od branovata dol`ina za est tipovi na komercijalni fotodiodi.

___________________________________________________________________ 17

Siliciumskite fotodiodi mo`at da otkrivaat zra~ewe od UV do NiR (190 do 1100 nm) so vrv na 960 nm. PiN (p – i –n) siliciumskite diodi imaat podra~je od 320 do 1100 nm. [otkievite GaAsP fotodiodi imaat tesno podra~je od UV do vidno podra~e (190 do 680 nm) kako i GaP fotodiodite (190 do 550 nm). Kone~no siliciumskite lavinski fotodiodi pokrivaat vidno NiR podra~je vo granici (400 do 800 nm).

Slika 4.5

___________________________________________________________________ 18

Slika 4.6.

Slikata 4.6 poka`uva konstrukcija na ~etiri glavni tipovi fotodiodi: tip p - n, tip p – i - n, otki tip i lavina tip. Fotodiodata p - n se sostoi od eden p - n spoj (na pr. Si) so sloj od SiO2 da pomogne za namaluvawe na strujata na mrakot i ja podobruva obnovata. Kako to e opiano porano apsorpcijata na eden foton (fotoelektri~en efekt) sozdava par elektron - praznina koja odi so spojnoto pole kon prednata oblast, vidi sl. 4.7.a. Ova sozdava fotonapon V kako to e poka`ano na sl. 4.7.b.

slika 4.7.

___________________________________________________________________ 19

slika 4.8

Naponot na prazen od V0c na edna fotodioda mo`e da se izmeri koga nadvoreniot otpor R e visok i e daden so: l

(4.5.) )1ln( +=S

Loc I

Ie

kTV

kade IL e fotostrujata (proporcionalna na koli~inata na svetlina) i IS e povratna struja na zasituvawe na fotodiodata. Taka naponot na prazen od e proporcionalen na temperaturata i logoritamskata osvetlenost. Slikata 4.8. poka`uva deka V0c e strogo linearen vo povee od 4,5 dekadi od nivoto na svetlina. Strujata na kusa vrska ISC se dobiva koga otpornikot za opteretuvawe e nula kako ne bi se dobil napon na diodata. Taa e isto taka strogo linearna vo

zavisnost od osvetluvaweto. Fotodiodite obi~no rabotat pod povraten prednapon ili vo vistinski kola za zazemjuvawe. Slikata 4.9. poka`uva dve osnovni primeni.

Slika 4.9.

Fotodiodata od tipot PiN ima tanok izoliran sloj me|u r - tipot i n - tipot materijal. Ova zna~i deka debelinata na ispraznetata oblast mo`e da bide modificirana so optimizirawe na kvantniot stepen na dejstvo i frekfentniot odgovor. Poniskiot otpor i kapacitivnosta proizveduvaat mnogu brzi odgovori to e tipi~no za p - n dioda (≈ 0,4 μy).

___________________________________________________________________ 20

[otkievata dioda ima ultra tenok metalen sloj (≈Å) koj formira otkieva bariera so eden n - tip poluprovoden materijal. Ultra tenkiot metalen sloj (film) ja zgolemuva osetlivosta na diodata vo UV podra~je kade koeficientot na apsorpcija vo poluprovodniot materijal e visok. Ako e potrebno da se upotrebi edna antireflektira~ka obloga kako onaa od 500 Å od ZnS (cink sulfid) no so preku 95 % (vlezno) upadno zra~ewe ( λ e 633 nm) e prenesena vo siliciumskata osnova.

Visinata na [otkievata bariera φB idealno zavisi od dvete rabotni funkcii na metalot i rabotnata funkcija na poluprovodnikot φ kade, S

(4.6.) SmB φφφ −=

Gustinata na strujata J niz idealen ispravuva~ki kontakt e dadena so poznatata raenka

(4.7.) )1exp()exp(0 −−=kTqV

kTJJ Bφ

kade J0 e 120 T2 A/cm2 (koga efektivnata masa na elektronot e edinica) i V e primenetiot napon. Vo ultravioletovoto podra~e parovite elektron - praznina se stvaraat vnatre vo [otkievata bariera i e odvoeno od lokalnoto pole. Vkupnata promena vo visinata na barierata mo`e da se izmeri kako porano. Na podolgite branovi dol`ini, elektronite vnatre vo metalot se vozbudeni dovolno da ja preminat barierata vo poluprovodnikot. Me|utoa mo`nosta e poniska otkolku eksitacijata od podra~je vo podra~je (na poniski branovi dol`ini) kako to se se gleda od sl. 4.10.

___________________________________________________________________ 21

Slika 4.10.

Vo praksa, visinata na barierata, na pr. GaP ne dava mnogu soglasnost so ravenkata (4.7) za vreme na postoewe na povrinska sostojba.

Za n - tip poluprovodnik visinata na barierata se gleda koga metalot e vo sutina nezavisen od padot na naponot. Visinata na

barierata sega e odredena od razlikata me|u krajnoto provodno podra~je E

(4.8) 32

0 gBc EEE ==− φ

c i fermievoto nivo na povrinata E0

Obi~no, Ec - E e (2//3)E0 g za mnogu materijali vo koi karakteristi~niot spoj e povrina - ograni~ena sostojba. Odbiraweto na poluprovodni~kiot materijal na pr.GaAsP ili GaP dozvoluva nisko energetskiot po~etok (prag) da bide pomesten vo vdol` spektarot.

Lavinskata fotodioda (APD) raboti pod visok povraten pat na napon vo koi protonot - generiran nositel e vozbuden do zadovolitelno nivo da se sudri so drugi atomi i da proizvede sekundarni nositeli. Ovoj proces se javuva povtorno i se narekuva lavinski efekt (efekt na lavina). Ova vnatreno razmno`uvawe

___________________________________________________________________ 22

vodi kon osetlivost pri nisko nivo na svetlina vo vidlivoto i blisku infra - crveno podra~je. Sl. 4.11 go poka`uva kvantniot stepen na dejstvo na siliciumskata lavinska fotodioda . Uslovot da dojde do lavina e da kineti~kata energija Ek na elektronot da nadmine (3/2E ) i da sozdade drug nositel. g

(4.9.) 23

gk EE ≥

Slika 4.11.

Lavinskite diodi isto taka imaat ultra brz odgovor so kriti~ni frekvencii vo podra~jeto na GHz. Proboen napon od 100V za siliciumska lavinska fotodioda se nabquduva so fotostruja pogolema za 1mA blizu do probojot.

4.4. Fototranzistori Osetlivosta na svetlina mo`e da bide iskoristena preku

upotreba na fototranzistori podobri od fotodiodi. Kako dopolnenie, fototranzistorite mo`at da bidat upotrebeni vo primena na ~ita~i, broja~i ili koderi). Zgolemuvaweto i opa|aweto na vremeto e 1 do 5μy iako upotrebata na sootvetna konfiguracija go namaluva ova na 50μy no ja iskoristuva osetlivosta so faktor deset ili povee.

4.5. Performansi na komercijalnite UV – NiR detektori na zra~ewe

___________________________________________________________________ 23

[iroka raznovidnost na UV – NiR detektorite na zra~ewe se komercijalno pristapni. Napravite doa|aat od irokoto podra~je na ic so opti~ki pribor na pr. iroki ili tesnoagolni lei, opti~ki filtri i.t.n. Tabelata 4.1 gi dava osobinite na nekoi komercijalni UV – NiR detektori na zra~ewe.

Od tabelata 4.1 mo`e da se vide irokoto podra~je na dostapni napravi za bilo koja poedina~na primena. Osetlivosta na napravite varira no e sporedliva so onaa na ~ove~koto oko. Na mnogu mali svetlosni nivoa, potrebno e da se upotrebat scintilacioni broja~i ili fotomultiplikatori otkolku mikrosenzori na baza na silicium. Ponekoga cenata i goleminata na ovie fotonski napravi e povisoki.

Tabela 4.1

Temperaturnata osetlivost na fotodiodite (fototranzistorite) e poniska od onaa na fotoprovodnite elii. Paralelniot otpor (a ottamu i mra~nata struja) varira mo`ebi od 1012 do 109 so temperaturi od -10°S do +60°S. Prema toa, preciznoto merewe na niski svetlosni nivoi bara temperaturna stabilizacija .

5. Setila za infra - crveno zra~ewe

5.1. Karakteristiki na IR detektori

Infra - crvenoto zra~ewe se protega od 0,75 μm do okolu 1000 μm branova dol`ina i se prostira me|u vidlivata svetlina i mikrobranovoto podra~je. Infra - crveno zra~ewe emitiraat site tela so temperatura nad apsolutnata nula. Koli~inata na energija vo edinica vreme od edinica povrina na temperatura T i za edna branova dol`ina e dadena so Plankoviot zakon za zra~ewe.

___________________________________________________________________ 24

Branovata dol`ina λvrvno od maksimalniot izlez e vo odnos so apsolutnata temperatura preku relacijata

λ = 2898 / T (5.1) vrvno

Taka, na sobna temperatura na 25°S vrvnata branova dol`ina e 9,7μm koja e vo infra - crvenoto podra~je od elektromagnetniot spektar.

Ima dva tipa infra - crveni detektori: toploten tip i kvanten

tip. Toplotniot tip sodr`i kontakten temperaturen senzor kako to e termoelement i termo elija (5.2) a isto taka i bezkontakten piroelektri~en detektor. Za razlika od kvantum tipot ima stroga zavisnost na branovata dol`ina od pobrzite odzivi i vklu~uva fotoprovodni i fotonaponski napravi koi se obraboteni

predhodno.

Tabelata 5.1 Tabelata 5.1 gi sumira tipovite infra - crveni senzori so

fotoosetlivi materijali, spektralno podra~je, osetlivost i rabotna temperatura.

Slika 5.1.

Sposobnosta za detekcija, D*, e merewe (odreduvawe) na

osobinite na IR senzori. D* e dadena so efektivnata povrinska osetlivost Aeffi so ekvivalentnata snaga na umot (NEP) so

(5.2) )/( ewe~zra na osetlivost * WAAA

D effeff ⋅==

)/( struja parazitna HzANEP___________________________________________________________________ 25

Slikata 5.1 go prika`uva tipi~niot spektralen odziv na

infra-crvenite senzori vo zavisnost od branovata dol`ina na zra~eweto. Jasno, siliciumot e neprikladen materijal, dodeka HgCdTe (MCT) pokriva iroko podra~je i prakti~no e nezavisen od branovata dol`ina. Infra - crvenite senzori na zra~ewe iroko se upotrebuvaat vo industrijata, zemjodelie, medicina, fizika, hemija, opti~ki soobraaj i za golemo podra~je na dale~inska osetlivost. Karakteristikite za sekoj tip naprava e bide razgledan sega i dadeni nekoi primeni.

5.2. Fotoprovodni infra - crveni senzori

Tanok sloj od PbS, PbSe i MCT se upotrebuvaat za pravewe na fotoprovodni kelii vo koi upadnoto zra~ewe go namaluva otporot na napravata. ]eliite od PbS imaat eden vrven odziv na 2,2 μm dodeka PbSe eliite imaat odziv na 3,8 μm (i dvete na 25°S). MCT keliite imaat podra~je na procep koe mo`e da varira vo zavisnost od odnosot na sostavot na HgTe do CdTe i taka na poedinite spektralni karakteristiki na odzivot se dostapni ( na pr. 12,2 μm ili 16 μm).

Promenite na temperaturata imaat glavna uloga za promenite vo spektralniot odziv na eliite, temniot otpor i vremenskata konstanta. Temniot otpor opa|a za okulu 3% po 1°S i vremenskata konstanta opa|a za okolu 5% na 1°S. Prema toa, se prepora~uva da se pravat napravi so konstantna temperatura, na pr. na 300 K.

Slika 5.2 go poka`uva osnovnoto rabotno kolo na fotoprovoden infra crven senzor. Tipi~nite vrednosti na komponentite se dadeni, izlezniot napon Vout e daden so

(5.3) g

fdsout R

RRiV =

kade Rd e temniot otpor na uredot. Odzivot e sosema linearen so zra~ewe vo podra~je od 10 2-6 do 10-3 W / cm .

Fotoprovodnite infra crveni senzori mo`e da se upotrebuvaat za razli~ni primeni kako to e poka`ano podole vo tabela 5.2. Nekoi primeni kako to se gasnite indikacii, se opiani vo druga glava.

___________________________________________________________________ 26

Tabela 5.2.

Slika 5.2

5.3. Fotonaponski infra crveni senzori

Familija materijali se upotrebeni za foto naponski senzori za detekcija na infra crveno (vklu~uvajki NIR) podra~je. Zaedni~kite poluprovodnici koi, se upotrebeni se Ge, InGaAs, InAs i InSb so nivnata spektralna irina na opsegot poka`an na sl.4.1.

Infra - crvenite foto diodi rabotat na ist na~in kako to vee bee opiano za UV – NiR, p – n fotodiodite. Naponot na prazen od V0c se menuva logaritamski so upadnato osvetlenie, dodeka strujata na kusa vrska Isc se menuva linearno. Naponot i strujata mo`e da se izmerat upotrebuvajki kola dadeni na sl.4.9 iako kondenzatorot na povratna vrska mo`e da bide pridodaden kon op – amp kolo za da obezbedi filtrirawe protiv um i taka otklonuva sekakva dinami~ka nestabilnost.

___________________________________________________________________ 27

Tipi~ni karakteristiki za edna InGaAs fotodioda na zra~ewe e osetlivost na zra~ewe od 900 mA / W na 1,3 μm, struja na kusa vrska od 50nA od prozor~e so dijametar od 80 μm, temna struja od 100 rA pri V 1/2=5V na 25 °S, detekcija od 5 do 1012 cm HzR / W pri kapacitet na napravata od 1 - 10 pF pri 1 MHz, brzo vreme na odziv od ≈1ns za 50Ω otpor na opteretuvawe pri VR=5V i kriti~na frekfencija pogolema od 2 GHz. Izleznata struja mo`e da bide zgolemena so zgolemuvawe na efektivnata osetlivost povrzana od 0,005 mm2 do 0,8 mm2 ili povee. Me|utoa, toa mora da bide soodvetno namaleno pri izvedbata so obzir, na vremenskata konstanta RC na koloto.

Tablicata 5.3 gi dava nekoi od prakti~no primenlivite tipovi infra - crveni senzori.

Tabela 5.3.

5.4. Piroelektri~ni senzori

Piroelektri~nite senzori se poto~no toplotni, otkolku kvanten tip na infra - crveni senzori (vidi tab. 5.1). Piroelektri~nite senzori obi~no se sostojat od eden obi~en kristal od LiTaO2 koj e vo polarizirana sostojba od elektri~no pole. Povrinata na kristalot e sekoga opteretena so joni vo vozduhot uramnote`en so opteretuvaweto na kristalot. Koga upadnoto nivo na zra~ewe e promeneto (na pr. zgolemeno) kristalot apsorbira povee

zra~ewe i negovata

Slika 5.3

___________________________________________________________________ 28

temperatura se potignuva. Zgolemuvaweto na temperaturata ja namaluva polarizacijata na kristalot pa taka negoviot napon e se zgolemi dodeka opteretenata povrina ute edna e uramnote`ena. Povratniot signal se posmatra koga zgolemuvaweto na radijacijata e otstraneto so potpolen (celosen) proces prika`an na sl.5.3.

Materijalot LiTaO3 ima mnogu visoka impendansa i taka FET procesot e intengriran vo napravata kon odbojnikot na impendansata. Odzivot Δy na piroelektri~niot detektor mo`e da bide doveden vo vrska so negovite toplotni i elektri~ni svojstva preku:

(5.4.) )1)(1( 2222

eTkARy

τωτω

ωΓηΔ++

⋅⋅

=

Kade η e kvanten stepen na dejstvo, G e piroelektri~en faktor, A e osetlivata povrina, R e otporot na pravata, ω e aglovna fregvencija, i τ i τT e e toplotna i elektri~na vremenska konstanta i K e toplotna provodnost.

Slikata 5.4 go poka`uva osnovnoto rabotno kolo na eden piroelektri~en detektor. [irinata na pojasot sega e odredena so vremenskite konstanti na koloto so niska frekvencija ograni~ena so 1/2πR C i visokata frekvencija ograni~ena so 1/2πR C . 1 1 2 2

Piroelektri~nite senzori imaat dobra temperaturna stabilnost so izlezen temperaturen koeficient od okolu 0,2% na 1°S pri 1 Hz. Ako izlezniot senzor se uramnote`uva kon nula, dolgata vremenska granica koja se koleba vo okolnata temperatura se otstranuva efektno.

Piroelektri~nite senzori mo`at da se upotrebat kako termometri na zra~ewe i gasni analizatori no glavna primena imaat vo humanata zatita (na pr. alarmi protiv kradci) i detektori za po`ar. Pri mesteweto frenelovata lea pred detektorot, e stvori eden otse~en infra - crven signal koga nekoja li~nost e pomine vo vidnoto pole na detektorot. So soodveten izbor na eden filter

___________________________________________________________________ 29

Slika 5.4

na propusnoto podra~je i komparator e se dobie siguren sistem za detekcija so mala cena.

5.5. Osobini na komercijalnite napravi (aparati)

Tri glavni tipovi na infra - crveni detektori bea obraboteni, fotoprovodni, fotonaponski i piroelektri~ni. Postojat golem izbor na dostapni komercijalni napravi (aparati) za razli~na primena. Tabelata 5.4. gi dava nekoi komercijalni napravi i gi dava nivnite karakteristi~ni osobini. Cenata e isto taka ozna~ena i nivnoto rabotewe na temperatura na te~en azot e ~esto poneprikladni za upotreba.

Tabela 5.4

___________________________________________________________________ 30

6. Zaklu~ok Mnogu od ovie tipovi na zra~ewe se upotrebuvaat vo sekojdnevniot `ivot. Rentgenskite i ultravioletovite vo medicinata, vidlivite zraci vo opti~kata elektronika, infra - crvenoto zra~ewe za ispituvawe na svojstvata na molekulite ili za merewe na temperaturata, mikrobranovoto i radarskoto zra~ewe za komunikacionite sistemi itn. Kako otkriva~i na mnogu od ovie zra~ewa se koristat razni senzori (detektori) kako to se: detektorite na nuklearni ~esti~ki Gajger - Milerov broja~, proporcionalni broja~i; silikonski fotodiodi ( x - zraci i NIR); piroelektri~ni senzori; fotodiodi za ultravioletovo i blisko infracrveno zra~ewe; scintilacionite broja~i ili multiplikatori i dr. Site od ovie spomenati setila imaat svoi prednosti i nedostatoci vo zavisnot od mestoto na upotreba, namenata, to~nosta pri mereweto itn. Scintilacionite detektori gi imat slednive osobini: golem koeficient na apsorpcija, pomalku ili povee hidroskopni , kratok ili dolg period na raspa|awe i omeknuvaat na umereni temperaturi. Fotodiodite kako senzori imaat iroka primena vo ultravioletovoto i blisko infracrvenoto zra~ewe i golemi prednosti kako to se: povisoka osetlivost, pobrzo vreme na odgovor, pomala veli~ina, podobra stabilnost, odli~na linearnost. Pokraj fotodiodite kako bezkontaktni senzori se koristat i fototranzistorite. Kako primer na fotoprovoden senzor so koj se regulira svetlinata do odredeno nivo na osvetlenost mo`e da se zeme senzorot prika`an na sl. 5.2. Vo oblasta na infracrvenoto zra~ewe kako detektori se koristat kontaktni temperaturni senzori kako to se termoelementot i termokelijata i bezkontakten piroelektri~en senzor. Kako bezkontaktni senzori se koristat i fotodiodite za infracrveno zra~ewe koi se odlikuvaat so: golema osetlivost, mal kapacitet, mala struja na kusa vrska, golema detekcija, brz odziv i dr. Od seto ova mo`eme da ka`eme deka infracrvenitesenzori iroko se upotrebuvaat vo industrijata, medicinata, zemjodelstvoto, fizikata, hemijata optikata, soobraajot i vo golemo podra~je na dale~inska osetlivost.

___________________________________________________________________ 31