4. Fotodetektorok és képalkotás 4.1. Fényérzékelők. 4.2. Fotodiódák. 4.3. Napelemek. 4.4. Optopár. 4.5. CCD és CMOS matrixok. 4.6. CRT, elektrolumineszcens,

Az előadások a következő témára: "4. Fotodetektorok és képalkotás 4.1. Fényérzékelők. 4.2. Fotodiódák. 4.3. Napelemek. 4.4. Optopár. 4.5. CCD és CMOS matrixok. 4.6. CRT, elektrolumineszcens,"— Előadás másolata:

1 4. Fotodetektorok és képalkotás 4.1. Fényérzékelők. 4.2. Fotodiódák. 4.3. Napelemek. 4.4. Optopár. 4.5. CCD és CMOS matrixok. 4.6. CRT, elektrolumineszcens, plazma, LCD, LED kijelzők, elektronikus papír, mikrotükrök. Alkalmazások: fotometria, szenzorika, energetika, infokommunikációs technológiák, szórakoztató ipar..

2 Érzékelési tartományok és érzékelő típusok A fény- (elektromágneses sugárzás) érzékelők rendszerezése: Termikus (hő) érzékelők : elnyelik a sugárzás energiáját és megváltoztatják az érzékelő hőmérsékletét, az utóbbit mérjük. Érzékenységük nem függ a hullámhossztól. Példák:bolométer, piroelektromos érzékelő. Hátrány: lassú! Kvantum érzékelők: a fotonokat nyelik el, amelyek elektronokat gerjesztenek, és ezek által keltett elektromosságot mérjük. Érzékenységük spektruma szelektív. Példák: szem, fotoemulzió, fotomultiplayer, fotodióda. Előny: gyors!

3 Termikus érzékelők: Bolométer, termisztor. Ge bolométer: a hőmérséklet növekedése az érzékelő ellenállását változtatja, így a feszültséget is, amelyet mérnek. Pirodetektor: Piroelektromos impulzust mérnek a piroelektromos (pld. LiTaO 3, PbTiO 3, PZLT) kristályban, amelyet egy IR impulzus melegít. A folyamatos sugárzást moduláljuk. Lehet Wheatstone híd is. Paraméterek: érzékenység LiTaO 3 1,9.10 -8 C/cm 2. K, 1,23.10 -14 V/W SbSi 2,6.10 -7 C/cm 2.K, 1,31.10 -15 V/W

4 Fotodetektorok: általános követelmények Érzékenység az adott spektrum tartományban. Esetleg szűrés, zéró érzékenység más tartományban. Alkalmazhatóság bizonyos teljesítmények mérésére. Érzékenység linearitása (dinamikus tartomány, dB). Nagy kvantumhatásfok, jó jel/zaj arány. Válaszidő. Kvantum érzékelők: Fotoelektronsokszorozó (fotomultiplier). Félvezető eszközök: Fotorezisztor. Fotodióda (homo-, hetero-, pin, lavina ( Avalanche, APD)). Fototranzisztor. Phototube: R12290U-51 For Visible to Near IR Spectral Response (Peak) 750 nm Tube Diameter Dia.63 mm Photocathode Area Min.Dia.20 mm http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/category/ 3100/index.html Fotomultiplierek, jellemző paraméterek: Érzékenység, 0,2 – 3 m, sávokban, fotokatód anyaga (pld. Ag-O-Cs), optikai bemenet helye és anyaga, anód feszültség, 1-3 kV, érzékenység, 20A/lm, Időállandó, 200 ps. Példa:

5 Fotorezisztor Fotoáram: Kvantumhatásfok : =(I P /q)/(P in /h), azaz a gerjesztett elektron/lyuk párok és a beeső fotonok aránya. Spektrális érzékenység: Fotovezetés:  f = q (  n (n+n) +  p (p+ p) ) Meghatározó paraméterek: Spektrum tartomány (általában 0,5- 2,0 m, a félvezető E g energiájának függvényében). Időállandó (lassú, 10 -3 - 10 -4 s ). Tápfeszültség (nagy), I s sötétáram. I p / I s. Anyagok: CdS, CdSe, PbS, Si(Zn), Si(Au). Alkalmazás: beléptetők, számlálók, nem alkalmas gyors jelek detektálására, de egyszerű és olcsó!

6 Fotodiódák Előnyük: gyorsak, kapcsolási idő 15 ps-tól, sávszélesség 25 GHz- ig, spektrum tartomány 170 – 2600 nm (UV-IR), félvezető függvénye, kicsiny méretek, integrálhatók, csatlakoztathatók nyílt és zárt (hullámvezető) csatornákhoz, fejlett a technológiájuk. Fotovezető mód: záró feszültség alatt. Fotovoltaikus mód: feszültség – áram. Típusok : fém-félvezető, p-n, p-i-n, APD, MQW. Egyszerű p-n dióda hátrányai: nagy kapacitás – RC korlátozás, gyenge elnyelés hosszú hullámhosszakon (vékony réteg).

7 p-n átmenet mint dióda, napelem ahol I L = I sc rövidre zárt áramkör árama ( a nemegyensúlyí elektronok árama), I s - a dióda záróirányú telítési árama, Ha I=0, nyitott áramkör, a feszültség: A - az átmenet felülete N c, N v –effektív állapotsűrűségek, N A, N D - akceptorok és donorok koncentrációja, D n, D p - diffúziós együtthatók,  n,  p –élettartamok, E g –tiltott sáv szélessége, V max – maximális feszültség, V oc - üresjárási feszültség. - fill faktor Teljesítmény:

8 PIN dióda Az i-rész gyengén adalékolt, hossza 5-50 m. Megnövelt gerjesztési térfogat, nagyobb hatásfok, kisebb kapacitás. Példa: S109 93-05GT Si fotodióda Érzékelő felület 1,06x1,06 mm, Spektrum: 380 -1100 nm Érzékenység: 0,6 A/W Burkolat : epoxy-üveg Frekvencia tartomány: 5-100 MH z /www.hamamatsu.com/jp/en/product/category/3100/40 03/4111/S109 93-05GT/index.html Tápfeszültségek: Si – 5 V, InGaAs - 5 V

9 Paraméterek: Multiplikációs faktor M = I M /I P, ahol I M a multiplikált áram (hozam) és I P az alap fotoáram. Az APD érzékenysége: Lavina dióda (APD) InGaAs APD G8931-04 /www.hamamatsu.com/jp/en/product/category/3100/4003/4 111/G8931-04/index.html : 2 mA Spektrum: 900-1700 nm Csúcs: 1550 nm V : 60 V : 40 nA Max frekvencia 4 GHz Alkalmazások: optikai jelátviteli rendszerek. Példa: Tápfeszültségek: Si – 40-400 V InGaAs - 20-30 V Multiplikálás: Si - 20- 400 InGaAs -10-40 I max max I sötét :

10 Mivel a sötét áram és a jel áram teljesen nem korrelált, így a detektor áram átlagos zaja: Az áram kvantum zaja (sörét zaj): ahol B=f - sávszélesség, F(M) a zaj formája, általában: A tömbi sötét áram zaja:, ahol - a tömbi sötét áram. A felületi sötét áram zaja : Fotonikai alkalmazások szempontjából fontos a zajszint a detektorban ! Zajok típusai: 1/f, vagy flicker zaj, És ehhez jön még az erősítő zaja !

11 , Mivel F(M) növekszik az M függvényében, mindig létezik egy optimális M érték, amely maximalizálja a jel/zaj arányt. A szinuszosan modulált jel esetén m=1, és: A jel/zaj (signal to noise) arány: ahol I p - az átlag fotoáram szintje az m modulációs index alapján: ahol F(M) = M x és m=1. 4k B TB/R L - termikus

12 Egyszerű optoelektronikai elem: optopár. Technikailag egyszerűen egyesíthető egy fényforrás ( fotodióda) és egy fotodetektor egy nyitott vagy zárt (fény)csatornás egységben. Feladata: elektromos-optikai-elektromos jel átalakítás, E – L – E. Gyakorlatilag ez egy galvanikus bontás, magas, akár 10 14 Ohm.m ellenállással, kicsiny kapacitással. Nyitott- és zártcsatornás optronok, áteresztés, reflexiós, szórás módban működhetnek. Alkalmazás: ICT, erősáramú kapcsolók, számlálók.

13 CCD és CMOS matrixok Mindkét optoelektronikai eszköz a fény (foton) jel átalakítását szolgálja elektromos jellé. Történelmileg a CCD (Charge Coupled Device) volt az első, ennek feltalálásáért Willard S. Boyle és George E. Smith, 1969-ben a Bell Laboratories, New Jersey munkatársai, 2009-ben megkapták a fizikai Nobel díjat. CCD – csatolt kapacitások matrixa, a töltéseket fénnyel gerjesztjük, majd órajellel léptetjük, és a sor végén A/D jellé alakítjuk, amelyet az elektronika továbbít. Soros kiolvasó regiszter, Q –V átalakítás, majd erősítés és továbbítás.

14 CMOS CCD, CMOS – mindkettő a foton-elektron átalakításon alapszik, de a CMOS elemben a foton-elektron és az elektron-feszültség átalakítás egy pixelben történik. CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor elem. A CMOS matrix csökkenti a CCD hátrányait: nehézkes vezérlés, nagy fogyasztás, bonyolultabb integrálás, korlátozott képfrekvencia. Emellett a fejlett mikroprocesszoros technológiát alkalmazza. Viszont zajosabb, kevésbé érzékeny. Passzív (APP) pixelben nincs tranzisztor, az aktívban (APS) egy vagy akár három-négy is. Minden pixelben van egy fotodetektor. Színes képalkotáshoz három elem van egy pixelben, párhuzamos vagy függőleges, réteges szűrők bontják a bejövő jeleket. Bayer mozaik

15 Kijelzők A kijelzők alakítják át az elektromos (vagy optikai) jeleket olyan optikai jelekké, képekké, amelyek az emberi szem által érzékelhetők. Követelmények: nagy felbontás, nagy fényerő, nagy látószög, nagy váltássebesség, széles színskála, magas kontraszt, megfelelő méret, súly, kis fogyasztás, alacsony ár.

16 J= AT c 2 exp(-  /k B T c ), Történelmileg az elektrolumineszcens és a TV képcső lettek kifejlesztve elsőként. A képcső működése a gyorsított elektronok (elektronsugár) által stimulált lumineszcencián alapszik. Ezekben egy vákuumozott kamrában a 15-20 kV térben gyorsított, fókuszált elektronsugár gerjeszti a képernyő belső falára felvitt luminofort ( pld. ZnS:Cu). Így monokromatikus (kékes, zöldes) képeket kapunk a sugár folyamatos pont – sor – kép pásztázásával. A színes képek előállítására három elektronsugár (párhuzamos- vagy háromszög-elrendezésben) egy-egy, három foszforból álló pixelt gerjeszt. Aktívan sugárzó képernyő, jó a fényereje, de: nagy a mérete, nehéz, vákuumos, magas feszültségek, fogyasztás, sérülékenység. A fénypor „kiég”, öregszik, csökken a foton emissziója. A katód termoelektromos emissziója is idővel csökken. (Richardson képlet: ahol T c – a katód hőmérséklete,  - a kilépési energia, A – állandó).

17 Vákuumos fluoreszcens kijelző Ezek a kijelzők hasonlítanak a régi elektroncsővekhez, triódához. A katódból emittált elektronok a vezérlő hálón keresztül a külön elemekből (kívánt formájú jelekből) álló anódhoz irányulnak, a rájuk kapcsolt feszültségnek megfelelően. Az anódok foszforeszkáló anyaggal vannak bevonva, ezért világítanak. Az eszköz valamiben hasonlít a Nixie neoncsőhöz. Mivel a tű végén nagy az elektromos térerősség, hatékony téremisszió jöhet létre, és 80 V gyorsító feszültséggel elég nagy, akár 5 mA elektronsugarat kaphatunk, amely a foszforral bevont ernyőbe ütközve fényt produkál. Matrixba helyezett és feszültséggel vezérelt tűkből (pixelekből) kialakítható a képernyő. Tűk: pld. szén nanocsövek! Fowler-Nordheim képlet, emisszió valószínűsége:, E –elektromos tér MOTOROLA 2005: színes, 1280 x 720, 16:9, 42-col HDTV, karbon MWCNT !

18 Elektrolumineszcens kijelző Az elektrolumineszcencia az anyagban elektromos tér által gerjesztett elektron-lyuk párok rekombinációjából ered. Megkülönböztetjük a fluoreszcenciát (gyors rekombináció) és a foszforeszcenciát (lassú, 10 -8 s vagy még lassúbb). Alkalmazott anyagok: ZnS+Cu, Ag, ZnS+Mn, C+B, GaAs, GaN, szerves anyagok: Ru(bpy)3]2+(PF6-)2, ahol bpy - 2,2'-bipyridine, vagy a PEDOT anyag Poli(3,4-ethilendioxithiofen), és sok más. Vörös, zöld és kék színeket emittáló foszforok lettek kifejlesztve, ezekből készülnek a színes, polikromatikus EL kijelzők. Az eszköz elve : két elektróda között (az egyik transzparens) helyezik el az EL réteget. A hátsó elektróda lehet fényvisszaverő, tükör. Előnyök: vékony, kompakt, gyors (video kompatibilis), aktív sugárzás. Hátrányok: magas feszültségek (170-200 V), nappali fényben szórt fény, idővel csökkenő fényerő. Alkalmazás: kisméretű képernyők, kijelzők.

19 Gázkisüléses és plazma kijelzők, képernyők A gázkisüléses kijelzők többsége pont mátrixok. A katód és anód vonalak keresztezik egymást, s így az x- y rendszerben vezérelt mátrixban egy vagy több pont világít, monokromatikus színképpel. http://electronics.howstuffworks.com/plasma- display1.htm Gáz: főleg Xe, Xe+e  Xe ( 3 P 1 ) + e  Xe ( 3 P 1 )  Xe +h (147 nm) Foszforok: Zn 2 SiO 4 :Mn 2+ - zöld, Y 2 O 3 : Eu 3+ - vörös.

20 LCD kijelző, panel Folyadékkristályok: egy kitűnő példa arra, hogy a használhatatlannak vélt anyag, találmány egyszer csak roppant fontos lesz! Reinitzer és Lehmann 1888-ban figyelték meg és magyarázták meg bizonyos szerves anyagok átmeneti, metastabil fázisát – mezofázist. 1920-s években Friedel megállapította, hogy az LC állapota elektromos tér által változtatható, és hogy léteznek nematikus, szmektikus és koleszterikus (királis, csavart nematikus) struktúrák. A csavart nematikus (twisted nematic) kristályok kettős törésmutató tulajdonsággal rendelkeznek, ezért polarizálják a fényt, változtatják a fény polarizációs síkját, és ez elektromos térrel vezérelhető! Ennek alapján Schadt és Helfrich 1960-s években kifejlesztették az LCD cellát. Poláros rész Nempoláros rész Foszfolipid nematikus szmektikus királis

21 LCD kijelző, panel Aktív mátrix: cellák vezérlése: Egy cella működése: Az átmenő fény modulációja más módon is történhet:dinamikus szórás, optikai áteresztés változás, „vendég-gazda” kompozitokkal.

22 LCD panel vázlata és működése: http://electronics.howstuffworks.com/http://electronics.howstuffworks.com/plasma-display.htm LCD panel, „backlight” megvilágítás.

23 LED, OLED mátrix kijelzők, képernyők Ezek aktív mátrixok, az egyéni elemek vezérlése sorokban és oszlopokban okoz technológiai kihívásokat, valamint maguknak a mátrixoknak az elkészítése kellő méretekben és felbontással. http://www.rotapanel.com http://www.winstar.com.tw A LED-es, vagy akár a lézerdiódás megoldások ígéretesek a nagy fényerejű, utcai kivetítők esetében (akár több m 2 ). Kiváló a látószögük, kapcsolási sebességük, színskálájuk, viszont nagy a fogyasztásuk, hűtés szükséges. Az OLED mátrixok olcsók, de akadnak problémák az élettartammal (lásd pld. poliacetilen, -conjugált polimerek). Tipikus OLED modul paraméterek: sor x oszlop 50x16, aktív felület 30x11 mm pont méret 0,86x0,66 mm szín sárga táp: 3V – logikai min, 5V –logikai max, áram – 16 mA, hőmérséklet tartomány -40 …+80 C.

24 Elektronikus papír GYRIKON típus (Xerox fejlesztés, még a hetvenes években): két vezető, pixelekre bontott hordozó között festékszemcséket (pigmenseket) tartalmazó kapszulákat helyeznek el. A kétszínű szemcsék elektromos tér-érzékenyek, forognak a polaritás függvényében, így mátrix- vezérléssel képeket kapunk visszavert fényben. Hátrány: drága technológia. Elektroforetikus kijelző: apró, például fehér TiO 2 szemcséket folyékony, fekete mátrix anyagba keverik. Az elektromos tér hatására a felső elektródán elhelyezett jel-kontaktusok, vagy pixeleknek megfelelően koncentrálódnak a szemcsék : fekete-fehér kép alakul ki. Hátrány: a mikroszemcsék agglomerációja. Ezt ismét kapszulálással oldják meg.

25 Fototermoplasztikus hordozó Egy régen ismert eljárás, optikai adattárolásra is alkalmazható: áttetsző vagy fémes vezető hordozóra magas ellenállással rendelkező, fotovezető polimert visznek fel. Ennek felületi deformációja alakítja ki a vetített képet. Változatok: fotoinjekciós rétegekkel. Paraméterek: fényérzékenység ~  J/cm 2 felbontás 1000 vonal/mm, élettartam 300-1000 ciklus. Egyéb lehetőségek: elektrokrom kijelző, elektromos nedvesítés.

26 Vetítők: LCD, DLP, MEMS LCD vetítő : lehet párhuzamos vagy prizmás színképösszevonó elrendezés. A vetítő egy-egy alapszínt adó LCD mátrixában 786000 pixel van elrendezve  6 cm 2 felületen. Fényforrás: halogén izzó. Fontos: az LCD mátrixok hűtésének biztosítása.

27 Vetítők: LCD, DLP, MEMS DLP (Digital Light Projector vagy Digital Light Processing) vetítő változata a DMD (Digital Micromirror Device), amely MEMS eszközöket használ a kép vetítéséhez. Példa: 848x600 mikrotükör, mátrixba rendezve. Pozíciók: 0 fok (semleges várakozó), +10 fok (aktív, visszaver), -10 fok elhajlás a függőleges vonaltól (aktív, nincs visszavert jel). Kapcsolási frekvencia: 1000 /s. A pixelek állása az egész kép egy-egy R,G,B színű komponensének megfelelően verik vissza a szinkronizáltan forgó színtárcsa által áteresztett sugarat, így összeállítva az álló vagy mozgó színes képeket a vásznon.

28 Tesztkérdések 1.Milyen a tiltott sávja annak a félvezetőnek, amelyet fotodetektorként alkalmaznánk maximális érzékenységgel 600 nm hullámhosszon ? 2.Alkalmazhatunk e hasonló megoldást 6000 nm hullámhosszon? S = ηλe/hc= = 0.01 x 500x10-9m x 1.6x10-19J/(6.63x10-34J s x 3x108m/s)= 4.0 mAW -1. 3. Számolja ki a fotorezisztor érzékenységét 500 nanométer hullámhosszon, ha az anyag kvantum hatásfoka 1 %. 4. A CdS fotovezető Eg = 2.42eV tiltott sávval rendelkezik. Tételezzük fel, hogy a gerjesztett elektronok élettartama 10 -3 s, mozgékonyságuk 100 cm 2 /Vs. A kvantumhatásfok egyenlő 1. A cella mérete: 1 mm hosszú, 0,1 mm széles csík, szigetelő hordozón. A gerjesztett elektronok egyenletesen oszlanak el a cella térfogatában. A cellát 1 mW/cm 2, 409,6 nm hullámhosszú fénnyel világítjuk meg. a.Milyen hullámhosszon van az érzékenység hosszúhullámú határa? b.Hány elektront gerjesztünk másodpercenként? c.Mennyire változik a cella ellenállása? d.Milyen a fotoáram, ha 50 V feszültséget kapcsolunk a cellára?

29 5. Mi érzékelhető egy bolométerrel? 6. Milyen egységben mérhető egy fotorezisztor érzékenysége ? 7. Lehet-e egy dióda kvantum hatásfoka nagyobb, mint 1? 8. Működne-e egy LCD képernyő 77 K fokon ? 9. Hasonlóan, működne-e egy plazma képernyő 77 K fokon ? 10. A felsoroltakból melyik szerkezet működik aktív kisugárzással : plazma, LCD, elektron képcső, lumineszcens kijelző, LED-matrix. 11. A fehér LED spektruma: A. nem tartalmaz infravörös sugárzást, B. tartalmaz infravörös sugárzást, C. csak kék és vörös sugárzást tartalmaz, D. csak kék és zöld sugárzást tartalmaz, E. az összest tartalmazza. 12. Képes e a MEMS –alapú kivetítő színes képeket vetíteni? 13. Az elektrokróm kijelző monokromatikus vagy színes?