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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 20101 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 20102 Nosso último assunto foi sobre fotodiodos de Si

3 Dispoptic 20103 Fotodiodo Fotoexcitação numa junção pn

4 Dispoptic 20104 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 20105 Fotodiodo de silício

6 Dispoptic 20106 Detectores fotovoltaicos

7 Dispoptic 20107 Resposta espectral de D* de detectores fotovoltaicos

8 Dispoptic 20108 O mesmo principio é usado na obtenção de células solares

9 Dispoptic 20109 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

10 Dispoptic 201010 Numa maneira ilustrativa

11 Dispoptic 201011 Cálculo de célula solar http://jas.eng.buffalo.edu/education/pnapp/solarcell/index.html

12 Dispoptic 201012 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-cellshttp://www.nature.com/naturejobs/science/jobs/89795- Nitride-materials-for-high-efficiency-solar-cells Material Efficiency in lab (%) Efficiency of production cell (%) monocrystalline siliconabout 2414-17 polycrystalline siliconabout 1813-15 amorphous siliconabout 135-7 Como era considerado:

13 Dispoptic 201013 Eficiência de células solares

14 Dispoptic 201014 Outros detectores

15 Dispoptic 201015 Detectores PIN e APD Detectores térmicos Fotoacústicos

16 Dispoptic 201016 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 201017 Fotodiodo pn (a) e fotodiodo pin (b) Circuito equivalente

18 Dispoptic 201018

19 Dispoptic 201019 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 201020 Resposta espectral fotodiodo pin de Si Responsividade típica R A – REALÇADO PARA 900nm B – REALÇADO PARA 1060nm Destaque para algumas fontes emissivas

21 Dispoptic 201021 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 201022 http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/digitalimaging/avalanche/index.html

23 Dispoptic 201023 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 201024 Sem esquecer o fototransistor Prático, mas convêm ainda o APD

25 Dispoptic 201025 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 201026 Detectores térmicos Termopar Piroelétrico Bolômetro

27 Dispoptic 201027 Origem do termopar Efeito Seebeck Thomas Johann Seebeck (1770-1831) Profissão Descoberta – bússola Também denominado de efeito termoelétrico. Existem outros efeitos termoelétricos.

28 Dispoptic 201028 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 201029 Efeito Seebeck

30 Dispoptic 201030 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 201031 Efeito Peltier É o efeito reverso do Seebeck Metal Semicondutor é o coeficiente de Peltier Refrigeração, uso doméstico, detectores

32 Dispoptic 201032 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 201033 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 201034 Termopar - Termopilha Termopilha Leybold Resposta de 0,16 mV/mW

35 Dispoptic 201035 Outro esquema da termopilha

36 Dispoptic 201036 Outros detectores considerados térmicos Piroelétrico Material não-condutor T ~ Q Baixa potência de detecção Não recomendável para CW TGS DTGS

37 Dispoptic 201037 Efeito piroelétrico

38 Dispoptic 201038 Fotoacustica

39 Dispoptic 201039 Fotoacustica – 1880 – AG Bell - fotofone

40 Dispoptic 201040 Fotoacústica – janela opto-térmica Janela com propriedades de coef. de expansão térmica alto

41 Dispoptic 201041 Fotoacústica http://www.photonics.cusat.edu/Research_Photoacoustics.html

42 Dispoptic 201042 Fotoacústica Variable Temperature Photoacoustic Cell

43 Dispoptic 201043 Fotoacústica Liquid Photoacoustic Cell

44 Dispoptic 201044 Fotoacústica - microfone

45 Dispoptic 201045 Fotoacústica – espectrômetro

46 Dispoptic 201046 Outros detectores

47 Dispoptic 201047 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 201048 Célula de Golay – (1947 – MJE Golay) Faixa espectral: 1 – 4mm NEP: 7x10 -10 W/Hz 1/2 Responsividade: 350V/W Tau: 6ms Área sensitiva: 1mmX1mm 1.- janela 2.- filme semitransparente 3.- 4.- 5.- sistema re-focagem 6.- 7.- 8.- LED 9.- 10.- 11.- fotodiodo

49 Dispoptic 201049 Câmera CCD CCD = Charge Coupled Device – 1969 – Willard Boyle & George Smith - ATT

50 Dispoptic 201050 CCD Capturar e armazenar imagens: - Scanners - Telescópio - Leitora codigo de barras - Cameras de video e fotográficas

51 Dispoptic 201051 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 201052 Próxima aula Conectores

53 Dispoptic 201053 Bombas e medidores de vácuo

54 Dispoptic 201054 AES-XPS Fonte de raios-X usado em XPS

55 Dispoptic 201055 Java applet diodo semicondutor http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html

56 Dispoptic 201056


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