Rivelatori Fotoelettrici PDF

Fotomoltiplicatori: i fotoelettroni vengono accelerati verso una serie di elettrodi (dinodi) a potenziali sempre più alti. Ogni volta che un elettrone colpisce un dinodo, causa l'emissione di elettroni secondari che vengono poi accelerati verso il dinodo successivo, amplificando ulteriormente il seg...

Fotomoltiplicatori: i fotoelettroni vengono accelerati verso una serie di elettrodi (dinodi) a potenziali sempre più alti. Ogni volta che un elettrone colpisce un dinodo, causa l'emissione di elettroni secondari che vengono poi accelerati verso il dinodo successivo, amplificando ulteriormente il segnale. Il fattore di amplificazione totale della corrente dipende dal numero di dinodi e dal numero medio di elettroni secondari emessi per ogni elettrone incidente: 𝐺 = 𝛿 𝑁. Esistono diverse configurazioni di dinodi nei fotomoltiplicatori: (a) tapparella, (b) scatola e griglia, (c) lineare focalizzata, (d) circolare focalizzata. Rivelatori Fotoconducibili: un fotone con energia sufficiente può sollevare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione in un semiconduttore, aumentando la conduttività del ℎ𝑐 materiale, a condizione che ℎ𝑣 ≥ 𝐸𝑔 (𝜆 ≤ 𝐸 ) Questo fenomeno, noto come 𝑔 fotoconduttività, è alla base del funzionamento di questi rivelatori. Il materiale semiconduttore (W,L, D=spessore), solitamente in forma di lastra con elettrodi alle estremità, è sottoposto a una tensione esterna. Una variazione della conduttività del rivelatore provoca un aumento della corrente nel circuito, che aumenta la tensione attraverso una resistenza di carico 𝑅𝐿. Questa variazione può essere misurata con un voltmetro ad alta impedenza. Se si desidera rilevare solo la componente variabile nel tempo della radiazione, si può inserire un condensatore per rimuovere eventuali componenti in continua. Rivelatore a Giunzione p-n: in esso una regione priva di portatori di carica viene formata tra le regioni p e n di un semiconduttore, creando un campo elettrico interno. Quando un fotone genera una coppia elettrone-lacuna in questa regione, il campo elettrico separa le cariche, impedendo che si ricombinino. La separazione delle cariche può essere rilevata in tre modi: 1. Modalità fotovoltaica: Se il dispositivo è in circuito aperto, appare una tensione misurabile tra le regioni p e n. 2. Modalità fotoamperica: Una resistenza esterna bassa permette il flusso di corrente fotogenerata. 3. Modalità fotoconduttiva: Viene applicata una tensione inversa alla giunzione e la corrente che fluisce attraverso una resistenza di carico esterna viene misurata. Il contatto con il materiale semiconduttore viene effettuato tramite una giunzione metal-n+ (o-p+). La figura mostra il campo elettrico p+-n. Se assumiamo una giunzione brusca, con una polarizzazione esterna V molto più grande della potenziale di giunzione interna V0, e anche che Na>>Nd, allora le larghezze della regione di deplezione sono: Per una rilevazione efficiente, le coppie elettrone-lacuna devono essere generate nella regione di deplezione. A lunghezze d'onda corte, dove il coefficiente di assorbimento è alto, le coppie si generano vicino alla superficie; quindi, la regione p+ deve essere sottile. A lunghezze d'onda più lunghe, dove il coefficiente di assorbimento è basso, è necessaria una regione di deplezione più ampia, richiedendo una tensione di polarizzazione inversa elevata, che potrebbe avvicinarsi o superare la tensione di rottura del diodo. L'efficienza di rilevazione può essere migliorata applicando un rivestimento antiriflesso sulla superficie del rivelatore, come uno strato di 𝑆𝑖𝑂2 spesso λ/4. Fotodiodo p-i-n: la struttura p-i-n offre una buona risposta a lunghezze d'onda lunghe con livelli di polarizzazione relativamente bassi. In questa struttura, la regione intrinseca (i) ha alta resistività (bassi valori di 𝑁𝑎 e 𝑁𝑑 ) e la regione di deplezione si estende principalmente al suo interno, risultando molto più grande rispetto a un diodo PN. Questa caratteristica aumenta il volume in cui possono essere generate coppie elettrone-lacuna da fotoni incidenti. Fotodiodi a Valanga (APD): una struttura p-n opera con una polarizzazione inversa molto alta, permettendo ai portatori di carica di acquisire energia sufficiente per eccitare ulteriori portatori attraverso il gap energetico tramite eccitazione da impatto. Questo processo genera coppie elettrone-lacuna, che possono a loro volta generare ulteriori coppie. Un elettrone che ha raggiunto il punto A nel diagramma ha abbastanza energia sopra il fondo della banda di conduzione da poter collidere con un elettrone dalla banda di valenza, eccitandolo nella banda di conduzione (C → D). Questo genera una nuova coppia elettrone-lacuna; in questo processo, l'elettrone perderà naturalmente una quantità equivalente di energia e si sposterà da A a B. La probabilità di ionizzazione dipende dalla densità di portatori e dai coefficienti di ionizzazione, che variano con il campo elettrico secondo la relazione exp (−𝐴/𝐸). In silicio, il coefficiente di ionizzazione per gli elettroni è maggiore di quello per le lacune, mentre nel germanio i due sono quasi uguali. CCD: il dispositivo a accoppiamento di carica (CCD) si basa su un condensatore MOS, formato da uno strato di diossido di silicio (SiO2) su un substrato di silicio di tipo p, con un elettrodo metallico (gate) polarizzato positivamente rispetto al silicio. Le coppie elettrone-lacuna fotogenerate vengono separate, con gli elettroni attratti sotto il gate, dove rimangono intrappolati in un pozzetto di potenziale. La carica intrappolata è proporzionale al flusso luminoso che colpisce il dispositivo durante la misurazione. Il problema è "leggere" la carica in modo sequenziale lungo una serie di rivelatori, trasferendo la carica da un rivelatore all'altro. I potenziali del gate sono forniti da tre linee di tensione (L₁, L₂, L₃), collegate a ogni terzo elettrodo (G₁, G₂, G₃). Supponiamo che inizialmente il potenziale di L₁ sia a un certo valore positivo Vg , mentre L₂ e L₃ siano a potenziale zero. La carica fotogenerata verrà intrappolata sotto gli elettrodi G₁, G₂, G₃ in proporzione alla quantità di luce che cade su questi elementi. Dopo un tempo opportuno, la carica può essere spostata lungo la catena di condensatori MOS applicando una sequenza ripetuta di potenziali alle linee di alimentazione dei gate. Quindi, supponiamo di applicare una tensione Vg da L₁ a L₂, mantenendo L₃ a zero potenziale. La carica inizialmente sotto G₁ sarà ora condivisa tra G₁ e G₂ a Vg; successivamente riduciamo il potenziale di L₁ a zero. Tutta la carica che era inizialmente sotto G₁ ora sarà sotto G₂. Continuando questo ciclo, la carica verrà progressivamente spostata lungo la linea di condensatori MOS da sinistra a destra. Alla fine della linea, la quantità di carica che arriva come funzione del tempo fornirà una scansione sequenziale delle uscite del rivelatore G₁. questo è noto come schema a tre fasi. Fibbre ottiche La fibra ottica è composta da un core centrale con un indice di rifrazione maggiore rispetto al rivestimento esterno (cladding). La luce viaggia lungo la fibra grazie alla riflessione totale interna, dove un raggio colpisce l'interfaccia tra core e rivestimento a un angolo che consente la riflessione. Anche se una comprensione completa richiederebbe l'uso delle equazioni di Maxwell, è possibile capire il funzionamento della fibra ottica utilizzando la teoria dei raggi e il fenomeno della riflessione totale interna. La guida d'onda dielettrica planare simmetrica consiste in una lastra dielettrica centrale (core) con indice di rifrazione maggiore rispetto alle regioni circostanti (cladding), 𝑛1 > 𝑛2. La luce può propagarsi lungo il core seguendo un percorso a zig-zag grazie alla riflessione totale interna alle interfacce core/cladding. Per questo, è necessario che l'angolo interno del raggio sia compreso tra 90° e un valore di angolo critico θc. Ogni valore di 𝜃𝑀 (>𝜃𝐶 ) corrisponde a una modalità, ossia una distribuzione del campo elettrico lungo la guida. Le modalità dipendono dal valore di mmm e dalla polarizzazione del campo elettrico, che può essere parallela (E∥) o perpendicolare (𝐸 ⊥ ) al piano di incidenza. Queste polarizzazioni sono indicate come TM (Transverse Magnetic) (a) e TE (Transverse Electric) (b), a seconda che il campo magnetico o elettrico sia perpendicolare al piano di incidenza. Il numero di modalità TE o TM guidate in una guida, N, è: dove "INT" indica che si prende la parte intera dell'espressione seguente. Il parametro V è riferito come parametro V o come frequenza normalizzata: Un risultato interessante che deriva direttamente dall'equazione di N è che solo una modalità (cioè la modalità m=0) si propaga se V