Rivelatori UV Solar Blind
Docente: Mauro Mosca
(www.dieet.unipa.it/tfl)
A.A. 2015-16
Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM
La radiazione ultravioletta
Assorbimento da parte dell’ozono (da 300 a 200 nm)
Assorbimento da parte dell’ossigeno (sotto i 200 nm)
Rivelatori UV
- Rivelatori termici
- Fotorivelatori
- Fotoconduttori
- Fotovoltaici
generazione di coppie e-h
campo elettrico
Parametri dei fotorivelatori
Responsivity
g: guadagno
h: efficienza quantica
Rumore termico
(agitazione termica)
o di Johnson-Nyquist
Rumore shot
FV
(fluttuazioni casuali
numero portatori)
Rumore flicker o 1/f
(fluttuazioni densità
e/o mobilità portatori)
FC
(generazione casuale di
portatori per vibrazioni
del cristallo e loro
ricombinazione)
… anche Rumore di generazione-ricombinazione
Parametri dei fotorivelatori
NEP: the signal power that gives a signal-to-noise ratio of
one in a one hertz output bandwidth
NEP specifico
D = 1/NEP
Detectivity
Detectivity specifica
Rapporto di reiezione UV/vis =
permits a comparison of
detectors that have different
areas
Ri (UV)
Ri (vis)
Materiali per la rivelazione UV
Fotodiodi al Si per l’UV
Varie tecniche:
blue-enhanced
-strato d’inversione
-strutture p+n
UV-enhanced
-strutture np
-luminofori
Svantaggi:
normale
-alta sensibilità IR
-degrado UV
strato di SiO2
vs: 104
100 cm s-1
Fotodiodi UV-Si a strato d’inversione
drawback:
induced junction
(
high sheet resistance
)
in the inversion layer
high electric field
slow response time
(≈ 5 ms)
collection of photocarrier
with short penetration depth
The effects of the high surface
recombination are counteracted
Nitride-based photoconductors
Responsivity di un fotoconduttore
- rumore shot e g-r a frequenze intermedie
- rumore 1/f a basse frequenze
Perché g > 1?
Responsivity di un fotoconduttore
Responsivity di un fotoconduttore
 P -g
Perché risposta sotto la bandgap?
PPC: col buio le barriere
si alzano nuovamente
fenomeno di modulazione della conducibilità lento!
Responsivity di un fotoconduttore in AlGaN
with high Al%
p doping is
hard to obtain
high activation
energy both
for p, and n
doping
difficult to
obtain
ohmic contacts
problems of cracks that increase with Al%!!!
Rivelatori a giunzione p-n
sottile
portatori
minoritari
Rivelatori a giunzione p-n
Rmax = 0,23 A/W @280 nm
Fotocorrente nei rivelatori p-n
alta efficienza quantica con strati antiriflesso
ed elevato spessore della zona p (per potere
assorbire tutti i fotoni)
- rumore shot e 1/f
- rumore termico
Fotorivelatori p-i-n
zona svuotata ampia
aumenta percentuale di
fotoni assorbiti nella
zona di carica spaziale
diminuisce la capacità
di giunzione (che è inv.
proporzionale), facendo
aumentare la velocità
di risposta
w non troppo elevato, altrimenti… taumenta
alto!!
tr troppo R
Responsivity di un fotodiodo p-n al SiC
non si può
regolare la gap
Responsivity di un fotodiodo p-n al GaN
alta reiezione UV/vis
perdite per
diffusione
Linearità corrente-potenza
in fotodiodi al GaN
Responsivity di fotodiodi in AlGaN
peggiora la qualità
del cristallo
diminuisce Le
(si ricombinano prima
di arrivare alla giunzione)
Effetto della lunghezza di diffusione
Rivelatori Schottky
risposta sotto gap
-
trasporto:
- - portatori maggioritari
- -
più facile con il GaN (e l’AlGaN) ottenere giunzioni Schottky
piuttosto che ohmiche
Rivelatori Schottky in n-AlGaN
alta velocità
costante!
(regione di carica spaziale
(V inversa)
all’interfaccia e metallo sottile)
(ma diminuisce con l’Al)
inconveniente: dipendenza da T
Rivelatori MSM: elettrodi interdigitati
Rivelatori MSM: diagramma a bande
in assenza
di
polarizzazione
doppia
barriera
tensione
di banda
piatta
no
conduzione
iniezione
elettroni
tensione di
svuotamento
bande si
incurvano
(iniezione
lacune)
breakdown
Responsivity dei rivelatori MSM in GaN
possibile effetto tunnel (guadagno)
soprattutto aumentando la tensione
di polarizzazione
- rumore shot e 1/f
necessaria tensione inversa (negli Schottky invece…)
Responsivity dei rivelatori MSM
in GaN e AlGaN
drogaggio + basso:
- aumenta regione carica spaziale
- diminuisce dark current
Window layer
effetto fotoelettrico interno
effetto della
“window”
Applicazioni in biofotonica:
erithema weighted detectors
Rivelatori di fiamma solar-blind
ioni OH-
Rivelatori di fiamma solar-blind