Detektory promieniowania optycznego

stacjonarne

II stopnia

obowiązkowy

W 26/x, C 8/+, L 16/+, razem: 50 godz., 4 pkt ECTS

Fizyka, miernictwo elektroniczne, obwody i sygnały, układy analogowe, elementy półprzewodnikowe / wymagania wstępne: znajomość fizyki półprzewodników, elementów półprzewodnikowych, podstawowych obwodów elektronicznych, analogowych układów elektronicznych.

IOEVXCSM

prof. dr hab. inż. Zbigniew Bielecki

aktywność / obciążenie studenta w godz.

1. Udział w wykładach / 26

2. Udział w laboratoriach / 16

3. Udział w ćwiczeniach / 8

4. Udział w seminariach / ---

5. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 20

6. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów / 16

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń / 10

8. Samodzielne przygotowanie do seminarium / ---

9. Realizacja projektu / ---

10. Udział w konsultacjach / 6

11. Przygotowanie do egzaminu / 14

12. Przygotowanie do zaliczenia / ---

13. Udział w zaliczeniach i egzaminie / 4

Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 120 godz./ 4 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+10+13): 60 godz./ 2 ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową / 2 ECTS

Kryteria oceny detektorów. Mechanizmy generacji i rekombinacji nośników. Osiągi detektorów ograniczone szumem fotonowym (SFL i BLIP). Parametry matryc detektorów. Detektory fotoemisyjne. Fotodiody Schottkyego. Detektory z supersieci, studni i kropek kwantowych. Detektory barierowe

i kaskadowe. Liczniki fotonów (pojedyncze i matryce). Detektory na różne zakresy widmowe (X, UV, VIS, IR, THz). Modele szumowe stopni wejściowych fotoodbiorników. Układy przetwarzania sygnału do matryc detektorów.

Wykłady /metody dydaktyczne

1. Kryteria oceny detektorów. Absorpcja promieniowania. Mechanizmy generacji i rekombinacji nośników. Sprzężenie promieniowania z detektorem. Osiągi detektorów ograniczone szumem fotonowym (Signal Fluctuation Limit i Background Limited Infrared Photodetector) / 2.

2. Podstawowe parametry i charakterystyki detektorów dyskretnych i matryc detektorów. Natężenie napromienienia równoważne szumom. Różnica temperatur równoważna szumom. Minimalna rozróżnialna różnica temperatury. Funkcja przenoszenia modulacji. Osiągi matryc detektorów podczerwieni / 2.

3. Detektory fotoemisyjne. Fotokatody z ujemnym powinowactwem elektronowym. Fotodiody ze złączem Schottky´ego. Fotodiody MSM / 2.

4. Detektory promieniowania X i gamma. Kamery Angera. Bezpośrednia

i pośrednia detekcja promieniowania X /2.

5. Detektory UV. Rodzaje i właściwości detektorów UV. Fotokatody na zakres UV. Detektory krzemowe. Detektory z AlGaN, SiC oraz diamentu /2.

6. Detektory terahercowe. Diody Schottkyego, detektory z tranzystorów FET i CMOS, mikrobolometry, detektory nadprzewodzące / 2.

7. Detektory z supersieci. Studnie potencjału. Rodzaje supersieci. Detektory na studniach kwantowych – wprowadzenie /2.

8. Detektory QWIP – budowa i zasada pracy. Parametry, charakterystyki i zastosowania detektorów QWIP /2.

9. Detektory z supersieci II rodzaju. Parametry i charakterystyki detektorów T2SLs. Fotodiody p-i-n, lawinowe. Matryce / 2.

10. Detektory barierowe. Idea pracy. Detektory barierowe MWIR z InAsSb. Detektory barierowe z T2SL i HgCdTe. Detektory kaskadowe i z kropek kwantowych /2.

11. Liczniki fotonów (pojedyncze i matryce) / 2.

12. Modele szumowe stopni wejściowych fotoodbiorników. Szumy w fotoodbiorniku ze wzmacniaczem napięciowym, transimpedancyjnym i ładunkowym. Odbiorniki z fotodiodami p-i-n i lawinowymi. Stosunek sygnału do szumu / 2.

13. Układy przetwarzania sygnału do matryc detektorów. Techniki odczytu sygnału stosowane w matrycach CCD. Układy odczytu sygnału w matrycach CMOS / 2.

Ćwiczenia /metody dydaktyczne

1. Analiza parametrów detektorów termicznych / 2

Analiza charakterystyk detektorów termicznych, wyznaczenie odpowiedzi termopary i detektora piroelektrycznego na wymuszenie impulsem prostokątnym, obliczenie szumów oraz stosunku mocy sygnału do mocy szumu.

2. Analiza parametrów detektorów fotonowych / 2

Analiza charakterystyk detektorów fotonowych, wyznaczenie odpowiedzi fotodiody pin, fotorezystora i fotodiody APD na wymuszenie sygnałem optycznym, obliczenie szumów detektorów fotonowych oraz stosunku mocy sygnału do mocy szumu.

3. Analiza układów detekcji bezpośredniej / 4

Analiza budowy fotoodbiorników, modele stopni wejściowych fotoodbiorników, opracowanie koncepcji układu przetwarzania sygnału do detektorów termicznych i fotonowych, symulacje działania stopni wejściowych fotoodbiorników z zastosowaniem oprogramowania typu SPICE.

Laboratoria /metody dydaktyczne

1. Badanie charakterystyk pracy detektorów fotowoltaicznych / 4

Badanie zależności parametrów sygnału prądowego i napięciowego z różnych fotodiod w zależności od poziomu mocy promieniowania i rezystancji obciążenia. Określenie możliwości rejestracji promieniowania impulsowego w dziedzinie czasu i częstotliwości.

2. Badanie fotoodbiorników z detektorami fotowoltaicznymi/ 4

Badanie fotoodbiornika zbudowanego z wybranych detektorów fotowoltaicznych i układu kondycjonowania sygnału. Analiza charakterystyki przetwarzania oraz charakterystyki częstotliwościowej.

3. Badanie charakterystyk pracy detektorów fotoprzewodzących / 4

Badanie zależności parametrów sygnału wyjściowego (prądu napięcia, rezystancji) różnych fotorezystorów w zależności od napięcia zasilania, poziomu mocy promieniowania i rezystancji obciążenia. Określenie możliwości rejestracji promieniowania impulsowego w dziedzinie czasu i częstotliwości.

4. Badanie fotoodbiorników z detektorami fotoprzewodzącymi/ 4.

Badanie fotoodbiornika składającego się z detektora fotoprzewodzącego i układu kondycjonowania sygnału (wzmacniacz napięciowy, przetwornik prąd-napięcie, mostek rezystancyjny). Analiza charakterystyki przetwarzania oraz charakterystyki częstotliwościowej.

Podstawowa:

1. A. Rogalski, Z. Bielecki. Detekcja promieniowania optycznego. PWN, II wydanie, 2020.

2. Z. Bielecki, A. Rogalski. Detekcja promieniowania optycznego. WNT, 2001.

Uzupełniająca:

1. A. Rogalski, Z. Bielecki. Detection of optical signals. Taylor & Francis Group, 2022.

2. A. Rogalski. Infrared and terahertz detectors. Third ed. CRC Press. Taylor & Francis Group, 2019.

Symbol i nr efektu modułu / efekt kształcenia / odniesienie do efektu kierunkowego

Wiedza:

W1 / Potrafi analizować działanie detektorów promieniowania optycznego, układów detekcji bezpośredniej oraz zaawansowanych układów detekcji promieniowania optycznego. Ma uporządkowaną wiedzę w zakresie zastosowania detektorów promieniowania optycznego. Ma pogłębiona wiedzę w zakresie detekcji sygnałów optycznych, którą potrafi zastosować w technice światłowodowej, czujnikach optoelektronicznych, termowizji i technice podczerwieni / K_W03, K_W04, K_W08, K_W26.

Umiejętności:

U1/ Potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł; także w języku angielskim / K_U02

U2/ Potrafi planować i przeprowadzać eksperymenty, interpretować uzyskane wyniki i wyciągnąć wnioski. Przeprowadzić pomiary podstawowych parametrów (charakterystyk) detektorów promieniowania optycznego / K_U06.

Kompetencje:

K1 / Dostrzega potrzebę ciągłego zdobywania wiedzy i kompetencji, wie jak inspirować proces uczenia się innych osób, jest gotów do zasięgania opinii ekspertów w przypadku trudności z samodzielnym rozwiązywaniem problemów / K_K01.

Wykłady:

Przedmiot zaliczany jest na podstawie egzaminu przeprowadzanego w formie pisemnej lub ustnej, a warunkiem przystąpienia jest uprzednie zaliczenie ćwiczeń oraz laboratoriów. Pytania obejmują zakres tematyki poszczególnych wykładów i mają charakter otwarty. W czasie egzaminu sprawdzany jest efekt W1. Efekt uznaje się za osiągnięty, jeśli student osiągnął zakładane efekty uczenia się na poziomie 51-60%.

Kryterium formułowania ocen jest następujące:

≤ 50% – ocena niedostateczna; (51-60%) – ocena dostateczna; (61–70%) – ocena dostateczna plus; (71-80%) – ocena dobra; (81-90%) – ocena dobra plus; (91-100%) – ocena bardzo dobra.

Ćwiczenia:

Warunkiem zaliczenia jest: obecność na zajęciach, samodzielne wykonanie wskazanych przez prowadzącego zadań oraz przygotowanie sprawozdań z wykonanych prac oraz zaliczenie sprawdzianu kontrolnego. Efekt U1 uznaje się za osiągnięty, jeśli student: uczęszczał w zajęciach, poprawnie wykonał wszystkie ćwiczenia rachunkowe i zaliczył sprawdzian pisemny.

Kryteria oceny:

3.0 – formalnie poprawne wykonanie zadań;

3.5 – dodatkowo student potrafi odpowiedzieć na pytania wyjaśniające dotyczące wykonania zadań;

4.0 – jw. oraz student potrafi wyjaśnić, dlaczego wybrał konkretne rozwiązanie;

4.5 – jw. oraz student potrafi podać rozwiązanie alternatywne i krytycznie ocenić uzyskane wyniki;

5.0 – jw. oraz student potrafi opisowo i graficznie poprawnie udokumentować wykonanie zadania.

Laboratoria:

Warunkiem zaliczenia jest: zaliczenie ustne z poszczególnych ćwiczeń laboratoryjnych oraz zaliczenie protokołów. Efekty U1 i U2 uznaje się za osiągnięte, jeśli student: uczęszczał na wszystkich zajęciach i samodzielnie wykonał sprawozdanie.

Kryteria oceny:

2.0 – student nie zaliczył kolokwium wstępnego, uczestniczył nieregularnie w zajęciach, nie wykonał sprawozdania;

3.0 – student uczestniczył w zajęciach, w stopniu dostatecznym zaliczył sprawdzian wiedzy teoretycznej, uzyskał ocenę dostateczną ze sprawozdania;

3.5 – student uczestniczył w zajęciach, uzyskał ocenę średnią ze sprawdzianu wiedzy teoretycznej oraz ze sprawozdania zawartą w przedziale 3,5 – 3,74;

4.0 – jw. oraz uzyskał ocenę średnią ze sprawdzianu wiedzy teoretycznej oraz ze sprawozdania zawartą w przedziale 3,75 – 4,24;

4.5 – jw. oraz uzyskał ocenę średnią ze sprawdzianu wiedzy teoretycznej oraz ze sprawozdania zawartą w przedziale 4,25 – 4,49;

5.0 – jw. oraz uzyskał ocenę średnią ze sprawdzianu wiedzy teoretycznej oraz ze sprawozdania minimum 4,5.

Nie dotyczy