Download - Fotonika Félvezető detektorok
FotonikaFélvezető detektorok
Dr. Kovács GáborBME Mechatronika, Optika és
Gépészeti Informatika Tanszék
http://www.mogi.bme.hu
Fotodetektorok• Fény (foton) hatására elektromos
válaszjelet produkálnak• Működési elv alapján
– Kvantum detektorok: E=h, h=6.626.10-34Js (közvetlen kölcsönhatás az anyag és a beeső fotonok között)
– Termikus detektorok (az elektromos válaszjel oka a hőmérséklet változás)
• Kvantum alaptípusok– Fotoemissziós detektorok– Félvezető detektorok
• Érzékenység:– A kimeneti jel és a detektorra jutó jel
hányadosa– Kapcsolás függő: A/W, V/W
• Spektrális karakterisztika• Irány karakterisztika• Időállandó (sebesség):
– A 63%-os jel elérési ideje• Kvantum hatásfok QE:
– Az egy fotonra jutó elektronok száma
• Detektor geometria:– Pont detektorok– Vonal detektorok– Mátrix (kép) detektorok
• Detektálhatóság (detektor küszöb):– Jel/Zaj viszony– Zajjal azonos teljesítmény: NEP
Energiaszintek a félvezetőkben• Szigetelőknél a vegyértéksáv be
van töltve, és a vezetési sávba jutáshoz nagy energia kell
• Félvezetőknél a tiltott vezetési sáv kisebb energiával is elérhető
• A vezetőképesség adalékokkal (donor, akceptor) növelhető
• A vezetési sávba került elektronok és a helyükön maradt lyukak az erőtér hatására elmozdulhatnak (elektron és lyukvezetés)
• A vezetési sávba kerülési WG energia kifejezhető a gerjesztési potenciállal és alapvetően a félvezető anyagától és a hőmérséklettől függ
Valencia sáv
Tiltott sáv
Vezetési sávWC
WV
WG
GG qUW
TWW GG 0
A p-n átmenet• A félvezető kristály egy részét
donorokkal más részét akceptorokkal adalékolják
• A vezetési és a valencia sáv deformálódik
• A p-n átment síkjában a szabad töltéshordozók sűrűsége 0
• Gerjesztés: a töltéshordozók száma megnő
– Hőmérsékleti gerjesztés
– Fényenergia: h> Wg.
• A határhullámhossz:
Valencia sáv
Tiltott sáv
Vezetési sávWC
WV
WG
WCD
WVA
Gh W
hc
Fotoellenállások
• Kvantumhatásfok:– Az egy fotonra jutó elektron-
lyuk pár– Egynél kisebb!
• Reflexió: – R=(n1-n2)2/ (n1+n2)2
• Behatolási mélység:– A z elektonok száma e-ed
részére csökken– 1064nm: 0.3mm– 900nm: 0.03mm– 700nm: 0.005mm
• A fotodetektor lehet:– Homogén félvezető– P-N átmenetes
• Homogén félv. detektorok a vezetőképesség változását használják ki
• Fotoellenállások– Lassú működés– Hőmérséklet függés– Öregedési jelenségek
félvezető
i photo
Megvilágított p-n átmenet
• A foton hatására a p-n átmenetben töltés szétválasztás történik
• A határhullámhossz:– Ge:1.85 m– Si: 1.12 m
• Három működési régió– Fotofeszültség,
fényelem– Zárófeszültség
tartomány– Lavina tartomány
Ud
Idióda
Fényelemek
• Olyan fotodiódák amelyeken nincs zárófeszültség
• Közvetlen fény- elektromos áram átalakítás
• Foto vezető üzem– Az áram közel lineárisan nő a
megvilágítással
• Foto feszültség üzem– A feszültség közel logaritmikusan
nő megvilágítással
• Fényelemek tulajdonságai– Viszonylag nagy felület– Nagy kapacitás– Lassú működés
• Napelemek
Ud
Idióda
i photoh
u photoh Rt
Fotodiódák
• Zárófeszültség üzemre tervezett p-n átmenetek
• Lineáris eszköz– A terhelőellenállás mellett
is!
• A fotoáram a sötétáramra szuperponálódik
• PIN diódák– Kicsi kapacitás– Gyors működés
Ud
Idióda
i-réteg
p réteg
n réteg
h
Fotodióda áramkörök• Precíziós fényméréshez
– Rövidzár– Terhelőellenállás
• Nagy sebességhez– Előfeszítés– Kis kapacitás– PIN diódák
CCD detektor
• Töltés csatolt eszköz• Nagy érzékenység
– A dinamikatartomány a töltések számától (full well capacity) függ
– Időben integrálható– Max. érzékenység a közeli
infra tartományban
• Nagy stabilitás, linearitás• Széles méretválaszték• Vonal vagy mátrix
elrendezés• Hőmérséklet érzékenység!
CCD vonaldetektor felépítése
Órajel
Transfer
CCD shift register Video
Gnd
Fotodióda
Kapacitás
Töltésmozgatás
• Az integrálás alatt keletkező elektronok összegyűlnek a „potenciál gödörben”
• A kiolvasás alatt az elektródák „mozgatják” a potenciálgödröt
• A kiolvasási hatásfok 99.999%
CCD kamerák jellemzői
• Vonal vagy mátrix elrendezés• Detektor geometria
– Pixelszám (512*512, 640*480, 4k*4k)
– Pixelméret (7.4*7.4m, 12*14m,24*24m)
– Kitöltési tényező
• Detektor érzékenység– Kvantum hatásfok– Full-well capacity– Dinamika tartomány– Sötétáram– Spektrális érzékenység
• Kiolvasási mód– A töltések soronkénti átvitele a
kiolvasó sorba, majd egyenként
– Fényzárás a kiolvasás alatt– Full frame transfer CCD
(mechanikai fényzárás)– Frame transfer CCD, kettős
CCD chip– Interline transfer (interlaceed
vagy progressive scanned)
• Kamera interface– Analóg– Digitális– AD konverzió (8,10,12,16 bit)
CCD kamera struktúra (full frame transfer)
Smearing hatás
Frame transfer CCD
• Kettős CCD chip– Fotodetektor mátrix– Tároló terület
• Gyors átléptetés a tárolóba
• Előnyök– Kisebb smearing hatás
mint FFT– Nagy felbontás– Nagy apertúra (fill factor)
• Hátrányok– Nagy chip méret– Fényzárás szükséges
lkji
hgfe
dcba
llkkjjii
hhggffee
ddccbbaa
hhggffee
ddccbbaa
llkkjjii i
hhggffee
ddccbbaa
llkkjji
Interline transfer CCD
• Több párhuzamos vonaldetektor
• Közöttük és legalul shift regiszterek
• Előnyök– Kis chip méret– Alacsony smearing
• Hátrányok– Drágább technológia– Kis apertúra
a b c
d e f
g h i
a b c
d e f
g h i
a b c
d e f
g h i ih
fed
cba
g
Jel/zaj viszony
• Foton zaj– A foton-elektron konverzió
sztochasztikus folyamat– Poisson eloszlás– Arányos a megvilágítással– Arányos a „full well”
kapacitással
• Termikus zaj (sötét zaj)– Hűtéssel csökkenthető– Részben kikalibrálható
• Elektronikus zaj– A kiolvasó és konverziós
áramkörök zaja
intph eeN n PQ t
dark dark intN I t
CMOS kamerák• Integrált struktúra• Egyszerűbb meghajtó
áramkörök a kameában• Egyedileg címezhető pixelek• Elektron-feszültség átalakítás
a pixeleknél• Előnyök
– Egyszerűbb kamera felépítés– Hibatűrőbb szerkezet– Címezhető pixelek
• Hátrányok– Nagyobb zaj– Kisebb dinamika tartomány– Rosszabb kitöltési tényező
Színes CCD
• Három chipes kamerák• Egy chipes detektorok
– Diffúziós mélység (a hosszabb hullámok mélyebbre hatolnak)
– Színszűrők
• Szűrőcsíkok– RGB szűrők– C G Y szűrők
• Mozaik szűrők
Színes CCD kamera 3 chip
Szűrőváltók
Szűrőváltók
CCD Struktúrák
Detector reflections
• Front illuminated CCD surface reflection is 38%!
• The major source of the disturbing stray-light is the back reflection from the CCD and the filters.
• In-field stray light (ghost)• This stray light is scenery
dependent.
CCD reflection
• The CCD reflection is neither specular nor diffuse (Lambertian)
• The detector acts like a diffraction grating
• The microelectronic structure of the CCD diffracts the light into several hundreds of diffraction orders
• The angular division depends on size and wavelength:
sin xx
m
d
CCD kamerák kalibrációja
• Az optikai rendszer transzmissziós karakterisztikájának felvétele
• Az egyes szűrők áteresztési és blokkolási tulajdonságai
• A képsík megvilágítása a tárgy sugárzásának függvényében
• Quantum hatásfok az egész rendszerre nézve• Torzítás mérés• Átviteli függvény és PSF mérés• Korrekciós függvények meghatározása• Képfeldolgozási sor elkészítése
A klasszikus kalibráció• Bias korrekció
– Az elektronikus alapzaj és az offset korrigálása
• Dark korrekció– A CCD sötétáram
korrigálására
• Flat korrekció– A CCD pixeleinek
különbözőségét korrigálja
Flat korrekció
• Flat kép készítése– Integrálógömb– Dome-flat– Twilight flat
• Optikai inhomogenitások
• Cos4 korrekció• Por, szennyeződés• Detektor
inhomogenitás