Resumo da aula anterior

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Apresentação de Nathália sobre Aceleradores de Partículas – Projeto Sirius

• Detectores fotoemissivos, fotomultiplicadoras, ganho, channeltron, visão noturna. Superficies e materiais fotoemissivos, espectroscopia emissiva de elétrons.

• Fotodiodo de silício. Célula solar, diferentes dispositivos: cristalino, policristalino, junção singular e multijunções, orgânicos, desenvolvimento da eficiências das células solares.

Dinodos: BeO, MgO 10X

Aula de hj

• Continuação sobre detectores.

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Fotocondutividade

Dois tipos de material, dois processos:a) Processo para fotocondutividade intrínseca: fotoexcitação provoca

geração de portadores de carga que vão para a banda de condução. Desde que exista uma ddp aplicada, permite a mudança de corrente sobre o efeito da luz.

b) Para o caso extrínseco, portador de carga doador pode ser excitado para banda de condução, aumentando a condutividade, como tb pode ocorrer a criação de buracos com a excitação de elétrons para o nível aceitador.

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Detectores fotocondutivos intrínsecos

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Detector fotocondutivo

Tempo de vida do portador

# de portadores em excesso gerados pela

luz

Função degrau

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Solução

td é o tempo que o portador atravessa o gap(d) provocando uma

corrente q/ td. i é a corr. externa

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Outros detectores

• Detectores PIN e APD (fibras ópticas)

• Detectores térmicos

• Fotoacústicos

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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

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Fotodiodo pn (a) e fotodiodo pin (b)

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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

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Resposta espectral fotodiodo pin de Si

Responsividade típica R

A – REALÇADO PARA 900nmB – REALÇADO PARA 1060nm

Destaque para algumas fontes emissivas

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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.

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http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/digitalimaging/avalanche/index.html

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PIN e APD

Tabela 1 – Comparação de fotodiodo PIN e APDs

Parametro PIN APDs

Tipo de material Si, Ge, InGaAs Si, Ge, InGaAs

Largura de banda DC a 40+ GHz DC a 40+ GHz

Comprimento de onda 0.6 to 1.8 µm 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

apoioNão precisa

Alta tensão, temperatura estabilizada

Custos (pronto para fibra) $1 to $500 $100 to $2,000

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Sem esquecer o fototransistor

Prático, mas convêm ainda o APD

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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.

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Detectores térmicos

Termopar Piroelétrico Bolômetro

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Origem do termopar

• Efeito Seebeck

Thomas Johann Seebeck (1770-1831)• Profissão• Descoberta – bússola

Também denominado de efeito termoelétrico.

Existem outros efeitos termoelétricos.

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Efeitos termoelétricos

• Efeito Seebeck

• Efeito Peltier

• Efeito Thomson

Ocorre quando portadores de carga moveis estão sujeitosà influencia de gradientes de temperatura e/ou gradientes

de potencial elétrico. Na ausência de um campo magnéticoexistem três tipos de efeitos termoelétricos.

S.O. Kasap -Thermoelectric effects in metals

In 1851 William Thomson (later Lord Kelvin)

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Efeito Seebeck

dT

dVS

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Efeito Seebeck (Notes on using thermocouples - Dr. Robert J. Moffat, Stanford University)

• O coeficiente de Seebeck:

dT

dVS

• Ferro-constantan (J)

• Cromel-alumel (K)

• Cobre-constantan (T)

• Outros

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Efeito Peltier

• É o efeito reverso do Seebeck

Metal

Semicondutor

P é o coeficiente de Peltier

Refrigeração, uso doméstico, detectores

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Efeito Thomson – Lord Kelvin 1851

• Descreve o aquecimento ou resfriamento de um condutor portador de carga com a gradiente de temperatura.

r resistividade

J densidade de corrente

m coeficiente de Thomson(pode ser +-, depende do material)

dT/dx gradiente de temperatura

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Série termoelétrica

• Silicon

Bismuth

Nickel

Cobalt

Palladium

Platinum

Uranium

Copper

Manganese

Titanium

• Mercury

Lead

Tin

Chromium

Molybdenum

Rhodinium

Iridium

Gold

Silver

• Aluminium

Zinc

Tungsten

Cadmium

Iron

Arsenic

Tellurium

Germanium

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Demonstração prática do efeito termoelétrico

• Varetas metálicas de Fe, Ag, Al e latão aquecidas com um isqueiro numa extremidade e medimos a voltagem entre as extremidades a fem gerada.

• Al => V• Fe => V• Ag => V• Latão => V

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Série termoelétrica

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Termopar - Termopilha

• Termopilha Leybold Resposta de 0,16 mV/mW

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Outro esquema da termopilha

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Detector IV JonDetech - Termopilha

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Carcteristicas

http://jondetech.com/documents/JonDeTech_JIRS3a_r2.4.pdf

Vídeo demo

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Outros detectores considerados térmicos

Piroelétrico• Material não-condutor

DT ~ DQ• Baixa potência de

detecção• Não recomendável para

CW

• TGS

• DTGS

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Efeito piroelétrico

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Outro tipo de detecção mas não menos importante - Fotoacústica

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Fotoacustica – 1880 – AG Bell - fotofone

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Variante Fotoacústica – janela opto-térmica

Janela com propriedades de coef. de expansão térmica alto

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Fotoacústica

http://www.photonics.cusat.edu/Research_Photoacoustics.html

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Fotoacústica

Variable Temperature Photoacoustic Cell

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Fotoacústica

Liquid Photoacoustic Cell

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Fotoacústica – microfone de eletretohttp://jesseenterprises.net/amsci/1960/11/1960-11-body.html

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Eletreto = cera de abelha, cera de carnaúba, resina Como polarizar

Como testar

Microfone de eletreto

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Fotoacústica – espectrômetro

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Ainda outros detectores

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Bolômetro – 1878 – Samuel Pierpoint Langley

DI ~ DR

200m – 1mm

50mK – 300mK

Astronomia

Partículas

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Detector que mede a qtd de radiação incidente medindo mudança de resistência produzido pelo aquecimento

provocado pela radiaçãoBy 1880, Langley's bolometer was refined enough to detect

thermal radiation from a cow a quarter of a mile away.

Tipo de bolômetro de Pt

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Bolômetro de Pt com fio detector de 300nm×4μm. Imagem MEV, não a escala, substrato de Si e camada isolante de SiO2. Radiação IV aquece o fio alterando sua resistência.

5 March 2012, SPIE Newsroom. http://spie.org/x85677.xml?pf=true&ArticleID=x85677

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Célula de Golay – (1947 – MJE Golay)1.- janela2.- filme

semitransparente3.- 4.-5.- sistema re-focagem6.- 7.-8.- LED9.-10.-11.- fotodiodo

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Faixa espectral: 1m – 4mm

NEP: 7x10-10 W/Hz1/2

Responsividade: 350V/W

Tau: 6ms

Área sensitiva: 1mmX1mm

Outra célula de Golay

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Diameter of entrance cone, mm: 11.0

Diameter of entrance window, mm:

6.0

Material of entrance window: High-Density Polyethylene (HDPE)

Optimal operating wavelength range, μm:

15 ÷ 8000

Recommended detected power, W, up to:

1 x 10-5

Optimum modulation frequency, Hz:

15 ± 5

Noise-equivalent power @ 20Hz:typical, W/Hz1/2

minimum, W/Hz1/2 1.4 x 10-10 0.8 x 10-10

Optical responsivity @ 20Hz:typical, V/Wmaximum, V/W

1 x 105 1.5 x 105

Response rate:typical, msminimum, ms

30 25

Detectivity (D*) at entrance cone aperture: typical, cm x Hz1/2/Wmaximum, cm

7.0 x 109 11.0 x 109

Ambient operating pressure range, mm Hg

760 ÷ 10-3

Operational and storage temperature range, °C

5 ÷ 40

Humidity, % 45 ÷ 80

Vibration avoid vibrations at 1 ÷ 100 Hz

Rated voltage, VAC 100/115 ± 10%, 220/230 ± 10%

Line frequency, Hz 50 ÷ 60

Overall dimensions, L x W x H, mm3

126 x 45 x 87

Weight, kg 0.8

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

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Simulação de CCDhttp://astro.unl.edu/classaction/animations/telescopes/buckets.swf

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CCD

Capturar e armazenar imagens:

- Scanners

- Telescópio

- Leitora codigo de barras

- Cameras de video e fotográficas

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Câmera CCD e CMOS

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Simplified GIF animation of a CCD image sensor with Interline Transfer technology.  After the buckets of charge accumulate in the individual photo sensors, they are simultaneously transferred into the vertical shift registers.  Buckets of charge move down the vertical registers and across the horizontal register.  At the end, charge is converted to voltage and amplified.

Simplified GIF animation of a CMOS image sensor with active pixel sensor (APS) technology.  Where a CCD converts charge to voltage at the end of the process, a CMOS sensor performs this conversion at the outset.  The voltages can then be output over compact, energy-saving micro wires.

http://provideocoalition.com/index.php/sony/story/see-mos/

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Resumo de detectores

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Dispositivo Parâmetro sensitivo Região espectral

Fotocelula, fotomultiplicadora Emissão de elétrons uv, vis, iv

Emulsão fotográfica Reação química uv, vis, iv

Câmera CCD e CMOS(CCD) Carga uv, vis, iv

fotovoltaico,piroelétrico,termopar

voltagem uv, vis, iv

bolômetro,fotocondutivo (LDR) resistência iv

Célula de Golay Pressão de gás iv

Olho humano Reação química vis

Próxima aula conectores, acopladores e

adaptadores

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