Detectors

This page as PDF

Optical Detectors

Überblick

Grundlagen

Es gibt eine Vielzahl von Detektoren, um Lichtstrahlung in elektrische Ströme bzw. Spannungen umwandeln zu können. Diese Lichtdetektoren beruhen alle auf dem foto-elektrischen Effekt, bei dem durch Absorption von Lichtstrahlung (im Photonenbild ein quantisierter Vorgang) Elektronen in Festkörpermaterialien einen elektrischen Strom verursachen. Voraussetzung für den foto-elektrischen Effekt muß eine Photonenenergie Wph=hf, mit f als Frequenz des Lichts, sein, die größer bzw. gleich der Bindungsenergie WB von Elektronen der Festkörperatome ist.

Fotodioden

Eine Fotodiode besteht aus einem Halbleitermaterial eventuell in Kombination mit Metallen oder im Falle einer Fotodiodenvakuumröhre nur aus metallischen Materialien. Es gibt verschiedene Bauarten [1]:

PIN
PIN-Fotodioden: Eine p- und n-dotierte Hableiterschicht ist durch eine (intrinsische) nicht dotierte getrennt.
APD
APD-Fotodioden: Wie PIN-Dioden, aber durch eine angelegtes hohes elektrisches Feld erfolgt in der intrinsischen Zone eine Verstärkung des Elektronenstroms durch elektronische Ionisation im Trägermaterial (Avalanche-Effekt).
MSM
MSM-Fotodioden: MSM steht für “Metal-Semiconductor-Metal” und beschreibt den Aufbau der Diode mit einem Halbleitermaterial in Verbindung mit Metallen (Schottky-Diode).

Allen Dioden ist gemeinsam, das Licht in die so genannte Raumladungszone, der Sperrschicht der Diode zwischen P- und N-Schicht eindringen kann, und in ihrer Umgebung Elektronen-Loch-Paare erzeugen kann. Die Eindringtiefe der Lichtstrahlung hängt von der Wellenlänge und dem umgebenden Material ab (wellenlängen-abhängiger Absortionskoeffizient). Das vorherrschende elektrische Raumladungsfeld führt zu einer Trennung der (negativen) Elektronen zur N-Seite, und den (positiven) Ladungslöchern zur P-Seite. Es kann ein elektrischer Strom entstehen, der über einen Widerstand einen Spannungsabfall hervorruft [2].

Für eine maximale Quantenausbeute, d.h. der Teil der einfallenden Photonen, die ein Elektron-Loch-Paar in der Feldzone erzeugen, muss die gesamte einfallende Strahlung in der Feldzone absorbiert werden! Daraus ergibt sich, dass die Sperrschicht im Gegensatz zu normalen Gleichrichterdioden breit und oberflächennah ausgelegt sein muss. Die folgende Abbildung 19 zeigt einen schematischen Aufbau einer PIN-Diode.

Fig. 19: Schematischer Aufbau des Halbleiters einer PIN-Diode.

Je nach Frequenz der Lichtstrahlung ist der Ort der Entstehung von Ladungsträgern verschieden. Eine Ladungsträgergenerieung außerhalb der Raumladungszone, also im P- oder N-Bereich, trägt nicht nennenswert zum Fotostrom bei, da diese Ladungsträger (Elektronen und Löcher) relativ schnell wieder rekombinieren, was bei Ladungsträgern innerhalb dieser Zone nicht der Fall ist.

Der Fotostrom hängt bei gegebenen Strahlungsfeld über dem Absorptionskoeffizienten des Trägermaterials von der Wellenlänge ab. Das verwendete Halbleitermaterial bestimmt den nutzbaren Wellenlängenbereich, zu kurzen Wellenlängen durch die Absorption, zu langen Wellenlängen durch die Bandlückenenergie des Halbleiters begrenzt [2], gezeigt in Tabelle 9.

Halbleiter

Wellenlängen- bereich

Max. Empfindlichkeit

Quanten- wirkungsgrad

Aktive Fläche

Si-PN

400-1100 nm

0.5 A/W

60..80 %

0.1..100 mm2

Ge-PN

600-1700 nm

0.8 A/W

50 %

0.1..10 mm2

InGaAs

600-1800 nm

0.7 A/W

?

?

Tab. 9: Vergleich verschiedener Halbleiter-Materialien für Fotodioden.

Maßnahmen zur Maximierung des Wirkungsgrades (Quantenausbeute) sind:

  • Geringe Oberflächenreflexion durch Beschichtung der Einstrahlfläche mit einer Antireflexschicht,
  • oberflächennahe Lage des PN-Übergangs,
  • eine breite Sperrschicht, die aber gleichzeitig die Ladungsträgerlaufzeit erhöht, was zu einem schlechteren Hochfrequenzverhalten führt.

Neben den konventionellen PIN-Fotodioden finden sog. AP-Dioden (APD=Avalanche photo diode) Einsatz. Sie entsprechen im Aufbau dem von PIN-Dioden. Durch einen Lawineneffekt, der durch ein äußeres hohes elektrische Feld (Hochspannung) initiiert wird, erzeugen die durch Fotoeffekt generierten Elektronen-Loch-Paare neue Ladungsträger, die zum Fotodiodenstrom beitragen, was einer internen Verstärkung des Stroms entspricht. Der Lawineneffekt setzt hohe Feldstärken im Bereich von E = 1000 V/m voraus. Der Multiplikationsfaktor, und somit die effektive Empfindlichkeit der Fotodiode, ist abhängig von der Stärke des elektrischen Feldes, d.h. von der angelegten Sperrspannung im Bereich von 50-300V.

Neben den obigen statischen Parametern einer Fotodiode spielen bei der Detektion von Lichtimpulsen und modulierter Lichtstrahlung das dynamische Verhalten einer Fotodiode eine wesentliche Rolle. Bei sehr niedrigen Strahlungsintensitäten ist zudem das Eigenrauschen der Diode (und nachfolgender elektrischer Verstärker) eine nicht mehr vernachlässigbare Größe.

Das Rauschen einer Fotodiode setzt sich aus folgenden Anteilen zusammen:

  1. Quantenrauschen, das sich bereits im Signal befindet, und durch die gegebene Photonenstatistik dem eigentlichen Signal überlagert ist,
  2. Thermisches Rauschen: wird durch das Fotodiodenmaterial selbst verursacht, und ist temperaturabhängig.

Die Ursache des thermischen Rauschens liegt in der statistischen Trägerbewegung im thermodynamischen Gleichgewicht (auch ohne äußere Spannung). Thermisches Rauschen wird überwiegend durch den Bahnwiderstand einer Diode verursacht. Neben diesem Effekt ist noch das Generations-Rekombinationsrauschen zu nennen, welches bei einer äußeren Spannung in Erscheinung tritt. Es resultiert aus den statistischen Eigenschaften der Ladungsträgergenerierung und Rekombination, welche zu Ladungsträgerschwankungen und somit zum Rauschen des Fotodiodenstroms führt. Das Schrotrauschen schließlich wird durch die statistische Bewegung von Ladungsträgern im Trägermaterial hervorgerufen.

Die beste Impulsantwort ergibt sich bei einer Anstiegszeit des Fotostroms die deutlich kleiner als die Anstiegszeit des einfallenden Lichtfeldes ist. Sowohl Si-PIN- als auch AP-Fotodioden können mit einer Frequenzbandbreite bis zu 1GHz und Anstiegszeiten bis zu 300 ps hergestellt werden. Bei gleichen dynamischen Eigenschaften besitzen AP-Dioden eine um den Faktor 50-200 höhere Empfindlichkeit als vergleichbare PIN-Dioden, jedoch ist das Eigenrauschen von APDs höher. Mit MSM-Dioden lassen sich hingegen Bandbreiten bis zu 100 GHz und Anstiegszeiten bis zu 3 ps realisieren [1]. Jedoch besitzen diese MSM-Dioden eine geringere Empfindlichkeit aufgrund ihres Aufbaus.

Die Geschwindigkeit einer Fotodiode, insbesondere einer APD, auf schnelle Impulse zu reagieren hängt von der Beweglichkeit der Elektronen und Löcher ab. Neben dieser internen Eigenschaft beeinflusst die Kapazität einer Fotodiode maßgeblich das Verhalten bei hohen Frequenzen. Die Kapazität einer Fotodiode wird durch ihre Fläche und einer extern angelegten Sperrspannung beeinflusst. Die Kapazität wächst mit der Fläche und nimmt mit steigender Sperrspannung ab. Zudem führt eine erhöhte Kapazität zu einem verstärkten Eingangsrauschen eines nachfolgenden Verstärkers.

Die obere Frequenzgrenze, und somit die niedrigste erzielbare Anstiegszeit, ist nicht nur durch die Fotodiode selbst, sondern auch durch die externe Beschaltung gegeben:

  • intern: Trägerlaufzeit durch die Raumladungszone, proportional zur Dicke der Sperrschicht, die aber spannungsabhängig ist, (10..100ps)
  • intern: Trägerlaufzeit vom Generationsort außerhalb der Raumladungszone (P/N-Schicht) zur Raumladungszone, meist gegeben durch einen Diffusionsprozess, und hängt dann quadratisch von der Dicke der Schicht ab (10..100ps),
  • extern: Die RC-Zeitkonstante, die durch die Fotodiodenkapazität und dem externen Widerstand gebildet wird, durch den der Fotodiodenstrom in eine Spannung umgesetzt wird. Diese Zeitkonstante dominiert meist und kann deutlich größer sein als die ersten beiden Punkte.

Nachfolgend werden eine Reihe im eigenen Labor entwickelten Lichtdetektoren und Hilfsschaltungen wie Hochfrequenzverstärkern dargestellt.

Avalanche Lichtdetektoren

Fotodetektoren, die eine interne Ladungsträgerverstärkung ausnutzen, können zur Detektion schwacher Lichtsignale, wie sie z.B. bei der Messung von Streulicht einer in großem Abstand befindlichen Oberfläche auftreten, vorteilhaft genutzt werden. Bei den APD-Detektoren muss in Abhängigkeit von der Sperrspannung zwei Betriebsarten unterschieden werden:

  1. Der lineare Verstärkungsbereich: hier ist der Ausgangstrom proportional zur einfallenden Lichtintensität (d.h. der Photonendichte),
  2. und dem Geiger-Bereich, der oberhalb der sog. Durchbruchspannung der Diode liegt, und nicht mehr proportional zur einfallenden Photonenintensität ist. Stattdessen kann ein einzelnes Photon einen meßbaren Stromimpuls auslösen, mit einer Wahrscheinlichkiet, die dem Quantenwirkungsgrad der Diode entspricht.

Im folgenden sollen nur Lichtdetektoren behandelt werden, die im linearen Detektionsbereich arbeiten. Der Geiger-Bereich bedarf i.A. keiner Nachverstärkung, dafür aber einer externen Beschaltung, die das “Löschen” des durch den Lawineneffekt hervorgerufenen Stromimpulses ermöglicht. Diese Betriebsart wird zum Photonenzählen eingesetzt, z.B. für Koinzidenzmessungen. Der lineare Verstärkungsbereich ist, wie eingangs bereits erwähnt, abhängig von der Sperrspannung. Die nachfolgende Abbildung 20 zeigt exemplarisch die Verstärkung einer Si-APD bei Raumtemperatur relativ zur Empfindlichkeit von 0.5 A/W einer vergleichbaren PIN-Diode.

Fig. 20: Verstärkung einer Si-AP Diode bei Raumtemperatur relativ zur Empfindlichkeit von 0.5 A/W einer vergleichbaren PIN-Diode.

Der Verstärkungsfaktor ist in Näherung ein exponentieller Zusammenhang mit der Sperrspannung, und abhängig von der Temperatur. Eine Temperaturkompensation der Sperrspannung mit der Diodenchiptemperatur ist daher für einen reproduzierbaren Betrieb der APD erforderlich.

Schnelles Avalanche Diodenmodul

Technische Daten

Tabelle 10 zeigt die technischen Daten des APD-Modules PM61.

Spektraler Empfangsbereich

400..1000nm

Detektorfläche

0.2 mm2

Empfindlichkeit @ 800nm

200kV/W

Frequenzbereich (f-3dB )

0.1-500MHz

Anstiegszeit

< 1 ns

Ausgangsimpedanz

50 Ohm

Polarität

negativ

Versorgunsspannung

12V @ 60 mA

Externe APD Hochspannung

100-230V

Tab. 10: Technische Daten des APD PM61-Moduls.

Technologie
  • Verwendung von aktiver Modultechnik und (einstellbare) Vorverstärkung durch Elektronenvervielfachung in der aktiven Zone der Fotodiode.
  • Entkopplung und Verstärkung des Fotodiodensignals mit rauscharmer und breitbandiger MMIC-Verstärker Technologie.
  • Ankopplung der Fotodiode über Strom-Spannungs-Wandler mit niedriger Impedanz für hohe Bandbreite und niedrige Anstiegszeit bei impulsförmigen Signalen.
  • Externe Einkopplung der Hochspannung für Betrieb der APD-Fotodiode.
  • Anpassung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers durch Mikrostreifenleitertechnik.
  • Ausgangsspannung ist invertiert.
Schematischer Aufbau

Abbildung 21 zeigt den schematischen Funktionsaufbau des APD-Moduls. Das Signal der AP-Diode, die mit einer Hochspannung in Sperrrichtung betrieben wird, gelangt auf einen MMIC-Hochfrequenzverstärker.

Fig. 21: Schematischer Aufbau des aktiven APD-Moduls. Die AP-Diode wird in Sperrrichtung mit einer Hochspannung VD betrieben.

Prototyp

Abbildungen 22 und 23 zeigen den ersten Prototyp, und Abbildung 24 zeigt eine miniaturisierte Version im Rundgehäuse mit nur 25 mm Durchmesser.

Fig. 22: Prototyp APD-Detektor PM-61

Fig. 23: Prototyp APD-Detektor PM-61 (Innenansicht)

Fig. 24: Finale Version APDR01 des APD-Detektors in Rundgehäuse (∅ 25mm).

Messungen

Die gemessene Impulsantwort des APD-Detektors in Kombination mit dem folgend dargestellten HF-Verstärker ist in Abbildung Figure 25 gezeigt. Der impulsförmige Verlauf des einfallenden Lichtes wurde mit einer gepulsten Laserdiode (Wellenlänge 905nm), die mittels einer Avalanche-Entladung betrieben wurde, erzeugt. Die Anstiegszeit der Laserdiode wird mit 1ns angegeben (Herstellerangaben). Statt einer direkten Beleuchtung der APD (bei 2W Laserpulsleistung auch nicht möglich) wurde stattdessen das Streulicht einer diffusen Oberfläche aufgenommen. Die Anstiegszeit des detektierten Impulses (gemessen am Ausgang des nachgeschalteten HF-Verstärkers) liegt bei ca. 1.7 ns. Die langsame abfallende Flanke ist Folge der Laserdiodensteuerung, und nicht des Impulsverhaltens des APD-Detektors. Das verwendete Digitaloszilloskop hat eine interne Anstiegszeit von 300ps.

Fig. 25: Gemessene Impulsantwort des APD-Detektors

Passiver großflächiger PIN-Lichtdetektor

Technische Daten

Tabelle 11 zeigt die technischen Daten des PIN-Modules PDR02.

Spektraler Empfangsbereich

400..1100nm

Detektorfläche

41 mm2

Empfindlichkeit @ 800nm

25 V/W

Frequenzbereich (f-3dB )

DC-20MHz

Anstiegszeit

< 15 ns

Ausgangsimpedanz

50 Ohm

Polarität

positiv

Versorgunsspannung

12V @ 60 mA

Tab. 11: Technische Daten des PIN PDR02-Moduls.

Technologie
  • Verwendung von passiver Modultechnik mit einer großflächigen PIN-Diode
  • Anpassung der Ausgangsimpedanz der Diode durch Mikrostreifenleitertechnik.
  • Ausgangsspannung ist nicht invertiert.
Prototyp

Abbildung 26 zeigt die miniaturisierte Version im Rundgehäuse mit nur 25 mm Durchmesser.

Fig. 26: PIN-Detektor PDR02 im Rundgehäuse

Aktives Modul: Schneller Fotodetektor mit PIN-Fotodiode und Vorverstärker in Koaxialtechnik

Technische Daten

Tabelle 12 zeigt die technischen Daten des PIN-Moduls PDR01.

Spektraler Empfangsbereich

400..1000nm

Detektorfläche

0.5 mm2

Empfindlichkeit @ 800nm

375 V/W

Frequenzbereich (f-3dB )

0.1-200MHz

Anstiegszeit

< 2 ns

Ausgangsimpedanz

50 Ohm

Polarität

negativ

Versorgungsspannung

12V @ 60 mA

Tab. 12: Technische Daten des PIN APDR01-Moduls.

Technologie
  • Verwendung von aktiver Modultechnik.
  • Aufbau in koaxialer Gehäusetechnik.

    Vorteile:
    • kompakte Bauform
    • minimierte Schwingungsneigung der Vorverstärker
  • Entkopplung und Verstärkung des Fotodiodensignals mit rauscharmer und breitbandiger MMIC-Verstärker Technologie.
  • Ankopplung der Fotodiode über Strom-Spannungs-Wandler mit niedriger Impedanz für hohe Bandbreite und niedrige Anstiegszeit von Impulsen.
  • Anpassung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers durch Mikrostreifenleitertechnik.
Prototyp

Abbildung 27 zeigt die miniaturisierte Version im Rundgehäuse mit nur 25 mm Durchmesser.

Fig. 27: Aktiver PIN-Detektor PDR01 im Rundgehäuse

Fig. 28: Aktiver PIN-Detektor PDR01 im Rundgehäuse (Innenansicht)