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Dispoptic 20101 Resumo aula anterior Figuras de mérito dos detectores: NEP, R, c, D Dois tipos de detectores: –Fotônicos –Térmicos Detectores fotônicos:

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1 Dispoptic 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

2 Dispoptic Nosso último assunto foi sobre fotodiodos de Si

3 Dispoptic Fotodiodo Fotoexcitação numa junção pn

4 Dispoptic Fenômenos na junção pn a)Junção pn com pol. Reversa b)Diagrama de banda de energia c)Distribuição de portadores minoritários Circuito aberto

5 Dispoptic Fotodiodo de silício

6 Dispoptic Detectores fotovoltaicos

7 Dispoptic Resposta espectral de D* de detectores fotovoltaicos

8 Dispoptic O mesmo principio é usado na obtenção de células solares

9 Dispoptic 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

10 Dispoptic Numa maneira ilustrativa

11 Dispoptic Cálculo de célula solar

12 Dispoptic Eficiência da célula solar É um tema atual, pode-se dizer que existe até publicações indicando até 100% de eficiência? The material is comprised of a hybrid of plastics, molybdenum and titanium. Outro: Nitride-materials-for-high-efficiency-solar-cellshttp://www.nature.com/naturejobs/science/jobs/ Nitride-materials-for-high-efficiency-solar-cells Material Efficiency in lab (%) Efficiency of production cell (%) monocrystalline siliconabout polycrystalline siliconabout amorphous siliconabout Como era considerado:

13 Dispoptic Eficiência de células solares

14 Dispoptic Outros detectores

15 Dispoptic Detectores PIN e APD Detectores térmicos Fotoacústicos

16 Dispoptic 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

17 Dispoptic Fotodiodo pn (a) e fotodiodo pin (b) Circuito equivalente

18 Dispoptic

19 Dispoptic 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

20 Dispoptic Resposta espectral fotodiodo pin de Si Responsividade típica R A – REALÇADO PARA 900nm B – REALÇADO PARA 1060nm Destaque para algumas fontes emissivas

21 Dispoptic 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.

22 Dispoptic

23 Dispoptic PIN e APD Tabela 1 – Comparação de fotodiodo PIN e APDs ParametroPINAPDs Tipo de material Si, Ge, InGaAs Largura de banda DC a 40+ GHz Comprimento de onda 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 apoio Não precisa Alta tensão, temperatura estabilizada Custos (pronto para fibra) $1 to $500$100 to $2,000

24 Dispoptic Sem esquecer o fototransistor Prático, mas convêm ainda o APD

25 Dispoptic 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.

26 Dispoptic Detectores térmicos Termopar Piroelétrico Bolômetro

27 Dispoptic Origem do termopar Efeito Seebeck Thomas Johann Seebeck ( ) Profissão Descoberta – bússola Também denominado de efeito termoelétrico. Existem outros efeitos termoelétricos.

28 Dispoptic Efeitos termoelétricos Efeito Seebeck Efeito Peltier Efeito Thomson Ocorre quando portadores de carga moveis estão sujeitos à influencia de gradientes de temperatura e/ou gradientes de potencial elétrico. Na ausência de um campo magnético existem três tipos de efeitos termoelétricos. S.O. Kasap -Thermoelectric effects in metals In 1851 William Thomson (later Lord Kelvin)Thomson

29 Dispoptic Efeito Seebeck

30 Dispoptic Efeito Seebeck ( Notes on using thermocouples - Dr. Robert J. Moffat, Stanford University ) O coeficiente de Seebeck: Ferro-constantan (J) Cromel-alumel (K) Cobre-constantan (T) Outros

31 Dispoptic Efeito Peltier É o efeito reverso do Seebeck Metal Semicondutor é o coeficiente de Peltier Refrigeração, uso doméstico, detectores

32 Dispoptic 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

33 Dispoptic Série termoelétrica Silicon Bismuth Nickel Cobalt Palladium Platinum Uranium Copper Manganese Titanium Mercury Lead Tin Chromium Molybdenum Rhodinium Iridium Gold SilverMercury Aluminium Zinc Tungsten Cadmium Iron Arsenic Tellurium Germanium

34 Dispoptic Termopar - Termopilha Termopilha Leybold Resposta de 0,16 mV/mW

35 Dispoptic Outro esquema da termopilha

36 Dispoptic Outros detectores considerados térmicos Piroelétrico Material não-condutor T ~ Q Baixa potência de detecção Não recomendável para CW TGS DTGS

37 Dispoptic Efeito piroelétrico

38 Dispoptic Fotoacustica

39 Dispoptic Fotoacustica – 1880 – AG Bell - fotofone

40 Dispoptic Fotoacústica – janela opto-térmica Janela com propriedades de coef. de expansão térmica alto

41 Dispoptic Fotoacústica

42 Dispoptic Fotoacústica Variable Temperature Photoacoustic Cell

43 Dispoptic Fotoacústica Liquid Photoacoustic Cell

44 Dispoptic Fotoacústica - microfone

45 Dispoptic Fotoacústica – espectrômetro

46 Dispoptic Outros detectores

47 Dispoptic 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

48 Dispoptic Célula de Golay – (1947 – MJE Golay) Faixa espectral: 1 – 4mm NEP: 7x W/Hz 1/2 Responsividade: 350V/W Tau: 6ms Área sensitiva: 1mmX1mm 1.- janela 2.- filme semitransparente sistema re-focagem LED fotodiodo

49 Dispoptic Câmera CCD CCD = Charge Coupled Device – 1969 – Willard Boyle & George Smith - ATT

50 Dispoptic CCD Capturar e armazenar imagens: - Scanners - Telescópio - Leitora codigo de barras - Cameras de video e fotográficas

51 Dispoptic Resumo de detectores DispositivoParâmetro sensitivoRegião espectral Fotocelula, fotomultiplicadora Emissão de elétronsuv, vis, iv Emulsão fotográficaReação químicauv, vis, iv Câmera CCD (CCD) Cargauv, vis, iv fotovoltaico, piroelétrico, termopar voltagemuv, vis, iv bolômetro, fotocondutivo (LDR) resistênciaiv Célula de GolayPressão de gásiv Olho humanoReação químicavis

52 Dispoptic Próxima aula Conectores

53 Dispoptic Bombas e medidores de vácuo

54 Dispoptic AES-XPS Fonte de raios-X usado em XPS

55 Dispoptic Java applet diodo semicondutor

56 Dispoptic


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