APPUNTI DI OPTOELETTRONICA FOTORIVELATORI

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Gino Piazza
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1 APPUNTI DI OPTOELETTRONICA (ad uso libero ed esclusivo degli studenti) FOTORIVELATORI Autore: Massimo Brenci IROE-CNR Firenze

3 Termopile Sfruttano il principio della termocoppia, nella quale il riscaldamento di una giunzione rispetto ad un'altra provoca un flusso di corrente nel circuito che è proporzionale alla differenza di temperatura fra le due giunzioni. Nelle termopile (rivelatori termoelettrici) una giunzione viene riscaldata dalla radiazione, l'altra è mantenuta a temperatura ambiente.

proporzionale alla differenza di temperatura fra le due giunzioni.

4 Bolometri 0 %UHQFL ² $SSXQWL GL 2SWRHOHWWURQLFD La radiazione incidente scalda un sottile filo metallico provocando una variazione nella sua resistenza, che viene rivelata mediante un ponte di Wheatstone

5 Rivelatori piroelettrici 0 %UHQFL ² $SSXQWL GL 2SWRHOHWWURQLFD Il rivelatore consiste in una fetta di materiale ferroelettrico le cui molecole presentano un grado di polarizzazione che è funzione della temperatura. Le facce della fetta sono provviste di elettrodi realizzati mediante evaporazione, connessi fra loro mediante una resistenza di carico. Le variazionei di temperatura provocano variazioni di polarizzazione e, di conseguenza, variazioni della carica sulle facce della fetta di materiale e, quindi fra gli elettrodi. Tali variazioni di carica provocano una corrente nella resistenza di carico.

Le facce della fetta sono provviste di elettrodi realizzati mediante evaporazione, connessi fra loro mediante una resistenza di carico.

13 - Vantaggi: Fotorivelatori a semiconduttore Svantaggi: 0 %UHQFL ² $SSXQWL GL 2SWRHOHWWURQLFD - Ingombro ridotto - bassa tensione di alimentazione - elevata efficienza quantica - robustezza - elevata vita media - basso costo - prodotto guadagno-banda limitato (rispetto ai tubi fotomoltiplicatori (PMT)) - amplificazione ai bassi livelli limitata (i PMT possono rivelare anche il singolo fotone) -

elevata vita media - basso costo - prodotto guadagno-banda limitato (rispetto ai tubi

14 Fotoconduttori In un semiconduttore l'assorbimento di un fotone (con energia hν E g ) può portare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione. La conducibilità elettrica del materiale aumenta, così, all'aumentare del flusso di fotoni incidenti (fotoconduttività). La struttura tipica di un fotoconduttore è riportata nella seguente figura:

La conducibilità elettrica del materiale aumenta, così, all'aumentare del flusso di

15 FOTODIODI 0 %UHQFL ² $SSXQWL GL 2SWRHOHWWURQLFD Il circuito equivalente di un fotodiodo è mostrato in fig. 1. Come si vede, fondamentalmente, il fotodiodo è costituito da: - un generatore di corrente (la cui corrente I photo corrisponde al flusso di corrente generato dall illuminazione) con in parallelo un diodo (che rappresenta il comportamento della giunzione in assenza di luce incidente); - una capacità parallelo C j che rappresenta la capacità di giunzione del diodo e che dipende dalla larghezza della zona di svuotamento e quindi dalla tensione inversa applicata (tale capacità risulta maggiore quando la tensione applicata è nulla e decresce applicando una tensione inversa); - una resistenza di shunt della giunzione R sh. Il valore di R sh è generalmente alto (megaohms) e decresce esponenzialmente all aumentare dell illuminazione; - una resistenza serie R s che rappresenta la zona di diffusione del semiconduttore e le resistenze di contatto. Tale resistenza è generalmente bassa e può essere, di solito, trascurata. Consideriamo le caratteristiche I-V (corrente tensione) del fotodiodo

diodo (che rappresenta il comportamento della giunzione in assenza di luce incidente); - una capacità parallelo C j che rappresenta la capacità di giunzione del diodo e che dipende dalla larghezza

16 Possono distinguersi due modi di operare dei fotodiodi: 1) Fotovoltaico (nessuna tensione applicata) Il termine fotovoltaico è comunemente usato per descrivere il modo di operare di un fotodiodo senza che venga ad esso applicata nessuna tensione di polarizzazione esterna. In tal caso, possiamo considerare due casi estremi: a) R L >> R sh (retta di carico indicata con (a)) La fotocorrente generata scorre attraverso R sh dando luogo ad una tensione ai capi del diodo che lo polarizza direttamente. L inconveniente di questa configurazione risiede nel fatto che, la tensione di uscita non varia linearmente con l illuminazione. Infatti, il valore di R sh non è costante, ma diminuisce esponenzialmente all aumentare dell illuminazione. b) R L << R sh (retta di carico indicata con (b))

In tal caso, possiamo considerare due casi estremi: a) R L >> R sh (retta di carico indicata con (a)) La fotocorrente generata scorre attraverso R sh dando luogo ad una tensione ai capi del diodo

17 La fotocorrente generata fluisce attraverso R L che è fissa. La tensione di uscita è, quindi, dipendente in modo lineare dall intensità della radiazione incidente. La seguente configurazione permette di ottenere contemporaneamente una bassa resistenza di carico e una buona amplificazione della tensione di uscita. 2) Fotoconduttivo (fotodiodo polarizzato inversamente. Retta di carico indicata con (c)) Poichè, questo caso, R sh è sostanzialmente costante, possono essere usate resistenze di carico R L alte ottenendo risposta elevata e lineare. Si ottiene anche una risposta veloce (a causa della tensione applicata). Si ha, tuttavia, la presenza di una corrente di buio che dà luogo ad un rumore maggior rispetto alla configurazione fotovoltaica. Sono riportati sotto esempi applicativi della configurazione fotoconduttiva:

2) Fotoconduttivo (fotodiodo polarizzato inversamente.

18 Riferimenti bibliografici Per un approfondimento sui fotorivelatori vedere: S.Donati: Fotorivelatori Editore AEI (Associazione Elettrotecnica ed Elettronica Italiana), Milano 1977, (www. AEI.it) (le figure relative a fototubi, fotomoltiplicatori, microcanali, sono state tratte da tale libro)

Donati: Fotorivelatori Editore AEI (Associazione Elettrotecnica ed

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