Vorspannung, Modulationsfrequenz & Co.

PbSe-Infrarotdetektoren optimal betreiben

22. März 2023, 16:00 Uhr | Nicole Wörner

Ein System mit detektorbegrenztem Rauschen zu entwickeln, ist vielleicht einfacher, als man denkt.

Von Johannes Kunsch, Laser Components

Geräteentwickler können einen optimalen Betrieb von PbSe-IR-Detektoren (Bleiselenid) erreichen, indem sie die ideale Vorspannung oder Modulationsfrequenz bzw. eine Kombination aus beidem wählen – soweit die Applikation eine Wahl lässt.

PbSe-Detektoren haben eine spektrale Empfindlichkeit von 1 µm – 5,2 µm und gehören zur Familie der TFPD (Thin Film Photodetector). Sie sind aufgrund ihrer (auch ungekühlt) hohen Performance bei gleichzeitig verfügbaren großen Flächen und moderaten Kosten weiterhin unverzichtbar. PbSe-Detektoren sind Quantendetektoren und funktionieren als Photowiderstände, das heißt die Leitfähigkeit des Materials nimmt durch die Absorption von Photonen zu. Hergestellt werden diese polykristallinen Dünnschichten im Chemical- Bath-Deposition(CBD)-Verfahren samt nachgelagerter Prozessschritte. Das Material ist p-leitend, Elektronen werden durch Störstellen eingefangen. Im Rasterelektronenmikroskop stellt sich die Struktur als »Körner mit viel Stoff drum herum« dar, etwas ähnlich wie man es zum Beispiel bei Muskeln kennt, die von Faszien umgeben sind.

Am häufigsten werden diese Photowiderstände in einer Spannungsteilerkonfiguration eingesetzt, das heißt der PbSe-Detektor ist mit einem Ladewiderstand in Reihe geschaltet und es wird eine Spannung angelegt. Zur Nachverstärkung wird oft der OPA 2141AIDR verwendet. In einer typischen Applikation wird der Dunkelwiderstand durch die Beleuchtung um 0,1 % geändert. In der Applikation und bei der Verarbeitung ist auf eine »Dark Chain« zu achten, das heißt sichtbares Licht ändert statische Basisparameter (wie z. B. den Dunkelwiderstand).

Grundsätzlich gilt: Je höher die angelegte Spannung, desto höher das angelegte Signal. Abgesehen von praktischen Grenzen setzt auch die Eigenerwärmung des Halbleiters aufgrund der ohmschen Wärme Grenzen. Eine Faustformel geht von einer sinnvollen maximalen Vorspannung von ca. 50 V/mm Elektrodenabstand aus.

Die Praxis zeigt, dass PbSe-Detektoren meist dann verwendet werden, wenn Entscheidungen innerhalb einer kurzen Zeit zu treffen sind. Dies wäre zum Beispiel: Sind die Achsen des vorbeifahrenden ICE überhitzt? Es versteht sich von selbst, dass man hier mit einem detektorbegrenzten Design am besten fährt. Wann ist man detektorbegrenzt? Bei PbSe ist das der Fall, wenn sich bei Spannungserhöhung Signal und Rauschen proportional ändern. Und warum ist das so? Es gibt einen spannungsunabhängigen Rauschuntergrund, den man verlassen muss.

Außerdem zeigt PbSe ein 1/f-Rauschen, das heißt, es macht Sinn, unerwünschte niedrige Frequenzanteile zu unterdrücken. Als Faustregel gilt hier: Bei 90 Hz hat man etwa das dreifache Rauschen im Vergleich zu 1 kHz. Die typische Zeitkonstante des Detektors bei Raumtemperatur beträgt ca. 10 µs. Laser Components unterstützt Entwickler gern durch Prototypen.