dispoptic 20101 resumo aula anterior figuras de mérito dos detectores: nep, r, c, d dois tipos de...

Dispoptic 2010 1

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