Position Sensitive Detectors : Device Technology and Applications in Spectroscopy

• This thesis deals with the development, processing and characterization of position sensitive detectors and, in addition, to the development of compact and cost effective spectrometers. Position sensitive detectors are used to measure, with great accuracy and speed, the position of a light spot incident on the surface. Their main use is for triangulation, displacement and vibration measurements. A type of position sensitive detector based on the MOS principle and using optically transparent indium tin oxide as a gate contact has been developed. This type of detector utilizes the MOS principle where an induced channel forms beneath the gate oxide in the surface of the Silicon substrate. One and two dimensional detectors have both been fabricated and characterized. The first measurements showed that the linearity did not fulfil expectations and it was suspected that stress induced by the gate contact could be the reason for the seemingly high nonlinearity. Further investigations into both the p-n junction and the MOS type position sensitive detectors lead to the conclusion that the indium tin oxide gate is responsible for inducing a substantial stress in the surface of the detector, thus giving rise to increased position nonlinearity. The heat treatment step which was conducted was determined to be critical as either a too short or too long heat treatment resulted in stress in the gate and channel leading to position nonlinearity. If a correctly timed heat treatment is performed then the detector’s linearity is in parity with the best commercial position sensitive detectors. In addition, the development of very small, compact and cost effective spectrometers has been performed with the aim of constructing devices for use in the process industry. The development of a wedge shaped array of Fabry-Perot interferometers that can be mounted directly on top of a detector makes it possible to construct a very compact spectrometer using the minimum amount of optics. This wedge interferometer has been evaluated by means of array pixel detectors and position sensitive detectors for both the infrared and the visible wavelength ranges. When used with a position sensitive detector it is necessary to use a slit to record the intensity of the interferogram for many points over the detector, equivalent to pixels on an array detector. Usually the use of moving parts in a spectrometer will impose the use of high precision scanning mechanisms and calibration. By using a position sensitive detector for the interferogram readout both the position and the intensity are known for every measurement point and thus the demands placed on the scanning system are minimized.

• Denna avhandling behandlar utveckling, processning och karakterisering av positionskänsliga detektorer och även utveckling av kompakta, kostnadseffektiva spektrometrar. Positionskänsliga detektorer används för att mäta positionen av en infallande ljuspunkt på ytan med hög noggrannhet och hastighet. Det huvudsakliga användningsområdet är triangulering, förskjutnings och vibrationsmätningar. En typ av positionskänslig detektor baserad på MOS principen och som använder optiskt transparent indium-tenn-oxid som ”gate” kontakt har utvecklats och karakteriserats. Denna typ av detektor utnyttjar MOS principen där en inducerad kanal bildas under ”gate” oxiden i ytan på kiselsubstratet. Både en endimensionell och en tvådimensionell detektor har tillverkats och karakteriserats. De första mätningarna visade på att linjäriteten inte var den förväntade och det misstänktes att stress inducerad av ”gate” kontakten kunde vara orsaken till den tillsynes för höga ickelinjäriteten. Ytterligare undersökning på både p-n och MOS positionskänsliga detektorer ledde till slutsatsen att indium-tenn-oxid ”gate” kontakten är ansvarig för att orsaka en väsentlig stress i ytan på detektorn och därigenom orsaka ökad olinjäritet i positionsbestämningen. Värmebehandlingssteget som utförs fastställdes vara kritiskt där en för kort eller för lång värmebehandling resulterar i stress i ”gate” kontakten och kanalen som leder till olinjäritet. Om en korrekt värmebehandling utförs så är de tillverkade detektorernas linjäritet i paritet med de bästa kommersiella positionskänsliga detektorerna. Utveckling av väldigt små, kompakta och kostnadseffektiva spektrometrar har också utförts med målet att konstruera enheter för användning i process industrin. Utvecklingen av en kilformad ”array” av Fabry-Perot interferometrar som kan monteras direkt på en detektor gör det möjligt att konstruera en väldigt kompakt spektrometer med minimalt med optik. Denna kilformade interferometer har utvärderats med arraydetektorer, både för det infraröda och det synliga våglängdsområdet, och också med positionskänsliga detektorer. När den används med en positionskänslig detektor så är det nödvändigt att använda en springa att begränsa ljuset med för att registrera intensiteten av interferrogrammet i många punkter över detektorn, vilket är likvärdigt med pixlar på en arraydetektor. Vanligtvis gör användandet av rörliga delar i en spektrometer att mekanismer med hög precision och kalibrering måste användas. Genom att använda en positionskänslig detektor för att läsa ut interferrogrammet så kommer både positionen såväl som ljusintensiteten att vara känd i varje mätpunkt och därför minimeras kravet på förflyttningsmekanismen.

Subject headings

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering (hsv//eng)

Keyword

Position sensitive detectors

Electrical engineering, electronics and photonics

Elektroteknik, elektronik och fotonik

Publication and Content Type

vet (subject category)

dok (subject category)