Detekce svetla

Detekce svetla

Ondrej Haderka Antonın Cernoch

Regionalnı Centrum Pokrocilych Technologiı a MaterialuSpolecna Laborator Optiky UP a FZU AV CR

CZ.1.07/2.3.00/09.0042

Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 1 / 168

Obsah I1 Uvod

Radiometricke (fotometricke) velicinyZakony vyzarovanıPolovodiceZakladnı obecne vlastnosti detektoru

2 Zdroje svetlaRozdelenı zdroju svetlaElektromagneticke spektrumLaseryElektroluminiscence v polovodicıch

3 Rozdelenı typu detektoru svetlaRozdelenıLidske okoFotografie

4 Vnitrnı fotoelektricky jevHaderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 2 / 168

Obsah IIFotoodporyFotodiodySum fotodetektoru

5 Vnejsı fotoelektricky jevSoucasti fotonasobiceUzitı fotonasobicuFyzikalnı vlastnosti fotonasobicuKonstrukce fotonasobicu

6 Maticove detektory CCD a CMOSUvodProces detekceVlastnosti CCDSnımanı obrazu CCDBarevne snımanıPorovnanı CCD a CMOS


Obsah IIIScientific CCD iKon


Literatura

B. E. A. Saleh, M. C. Teich, Fundamentals of photonics, Wiley,Hoboken, New Jersey, 2007

George Rieke, Detection of Light : From the Ultraviolet to theSubmilimeter, Cambridge University Press, Cambridge, 2003

R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Feynmanovy prednaskyz fyziky s resenymi prıklady Fragment, Praha, 2007

Hamamatsu Photonics K. K., Photomultiplier tubes, third editionHamamatsu Photonics K. K., 2006


Uvod

Obsah

1 UvodRadiometricke (fotometricke) velicinyZakony vyzarovanıPolovodiceZakladnı obecne vlastnosti detektoru

2 Zdroje svetla

3 Rozdelenı typu detektoru svetla

4 Vnitrnı fotoelektricky jev

5 Vnejsı fotoelektricky jev

6 Maticove detektory CCD a CMOSHaderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 6 / 168

Uvod Radiometricke (fotometricke) veliciny

Energeticke charakteristiky elektromagnetickeho zarenı

Radiometrie absolutnı, v jednotkach SIFotometrie relativnı vzhledem k citlivosti lidskeho oka popr. jineho

receptoru, ve vedlejsıch jednotkach

Zdroj zarenı Radiant source

Svetelny zdroj Light sourceobjekt, ktery na zaklade ruznych fyzikalnıch principu emitujeelektromagneticke zarenıBodovy zdroj plosnou velikost lze zanedbat vzhledem k vzdalenostemPlosny zdroj plosnou velikost nelze zanedbat



Veliciny I

Spektralnı zavislost velicin na frekvenci νresp. vlnove delce λpreintegrovanı pres cele spektrum→spektralne nezavisle veliciny

Zariva energie – Q [J=m2kg/s2] Radiant energy

– energie vyslana, prenesena nebo prijataSvetelne mnozstvı – Qv [lm s] Quantity of light

Example (Energie jednoho fotonu)

E = hν = hcλ , h = 6.626 · 10−34 Js; c = 2.998 · 108 m/s

⇒ E555 nm = 3.58 · 10−19 J = 2.2 eV



Veliciny II

Hustota zarive energie – w [J/m3]Radiant energy density

– mnozstvı zarive energie v jednotkovem objemu

Zarivy tok – Φ = dQdt [W] Radiant power

– vykon (energie za cas) vyslany, preneseny nebo prijatySvetelny tok – Φv = dQv

dt [lm] Luminous flux1 W = 683 lm pro λ = 555 nm (maximum zrakoveho vjemu)



Veliciny III

Intenzita vyzarovanı – M = dΦdS [W/m2] Radiant excitance

– zarivy tok emitovany z jednotkove plochy zdrojeSvetlenı – Mv = dΦv

dS [lm/m2] Luminous excitance

Zarivost – I = dΦdω [W/ster] Radiant intensity

– zarivy tok emitovany do jednotkoveho prostoroveho uhluSvıtivost – Iv = dΦv

dω [cd = lm/ster] Luminous intensity



Veliciny IV

Zar – L = IdS cos θ [W/ster·m2] Radiance

– zarivost jednotkoveho povrchu videneho poduhlem θJas – Lv = Iv

dS cos θ [nit = cd/m2] Luminance

pozorovatel

dS

dS cos

Example (Zdroje jasu v nitech)

Slunce v zenitu 1.6 · 109 plamen svıcky 5 000modra obloha 8 000 rubınovy laser 1018

zamracena obloha 40 atomova bomba 1012

Mesıc 2 500 hvezda Sirius 1.5 · 1010

nocnı obloha 5 · 10−5



Veliciny V

Intenzita ozarenı – E = dΦdS , [W/m2] Irradiance

– mnozstvı zariveho toku dopadajıcıho na jednotkovou plochuOsvetlenı – Ev = dΦv

dS , [lx = lm/m2] Illuminance

Example (Zdroje osvetlenı v luxech)

Slunce v zenitu 100 000 Mesıc v uplnku 0.2poledne ve stınu 10 000 bezmesıcna noc 0.001zamracena obloha 100 az 1 000 tmava noc 0.0001

Expozice – H =∫ t

0 E(t)dt , [J/m2] Radiance exposure

– ozarenı jednotkove plochy za dany casovy intervalOsvit – Hv =

∫ t0 Ev (t)dt , [lx·s] Light exposure


Uvod Zakony vyzarovanı

Pojmy

Lambertovsky (kosinovy) zaric

zarivost je konstantnı pro vsechny uhly pohledu, M = π · L,

Φ = 4πR2M = 4π2R2L

Absolutne cerne telesoabsorbuje veskere dopadajıcı elektromagneticke zarenı, vyzaruje naruznych vlnovych delkach podle teplotysede teleso, selektivnı zaric

Kirchhofuv zakonna jiste vlnove delce je absorbce i emise telesa stejna



Historicky vyvoj

Stefanuv-Boltzmanuv zakon vyzarovanı – M = σT 4

1879, σ = 5.67 · 10−8 W/(m2K4), odvozen empiricky, pozdeji teoretickypodlozen zakony termodynamiky, bezkontaktnı urcenı efektivnı teplotytelesa

Wienuv posunovacı zakon – λmax [µm] = 2898/T

1893, vlnova delka maxima vyzarovacı krivky, pyrometry k urcenı tzv.barevne teploty svetla

Rayleighuv-Jeansuv zakon – Mλ = 2π3ckTλ4

1900, Boltzmannova konst. k = 1.380662 · 10−23 J/K, ultrafialovakatastrofa



Spektralnı intenzita vyzarovanı cerneho telesa

Planckuv zakon1900, kvanta elektromagnetickeho pole hν

Mλ =2πhc2

λ5(

ehc

λkT − 1)

Mν =2πhν3

c2(

ehνkT − 1

)0

20

40

60

M[M

Wm

-2m

-1]

1 2 3 4 5

Vlnová délka [ m]

Rayleigh-JeansPlanck

= 5 500 KT

T4

max



Geometrie

plocha zdroje

plocha zdrojev zorném poli

poloúhel zorného poleoptické soustavy

plochaoptickésoustavy

detektor

prostorový úhel

S

Sz

Sa

d



Spektralnı propustnost

Propustnost

TP prostredıTO opticke soustavyTF filtru

Opticky vykon na detektoru:

P(λ) =SzSaTP(λ)TO(λ)TF (λ)Lλ(λ)

d2

uzka oblast spektra ∆λ okolo λ0

P ≈ SzSaTP(λ0)TO(λ0)TF (λ0)Lλ(λ0)∆λ

d20

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pro

pust

nost

[%]

650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100

Vlnova delka [nm]



Example (Zarovka)

Vypoctete opticky vykon Pd dopadajıcı na kruhovou plochu r = 2 mm(zornice oka) vzdalenou d = 1 m od svetelneho zdroje o zarivem tokuΦ = 2 W (100 W zarovka).Predpoklad: Zdroj je Lambertovsky zaric, tedy Φ = 4πI.

Resenı

I = Φ4π , S = πr2, Ω = S

d2 ⇒ Pd = ΩI = Φr2

4d2

Vysledek: Pd = 2·4·10−6

4·1 W = 2 µW.



Example (Cerne teleso)

Kulove cerne teleso polomeru R = 1 m a teploty T = 1000 K jesledovano detektorem ze vzdalenosti d = 1000 m.

Detekcnı system vstupnı apertura o polomeru 5 cmpolouhel zorneho pole ζ = 0.1

ucinnost optickeho systemu TO = 50%λ0 = 1µm s sırkou pasma 1% (∆λ = 10−8 m)

Vypoctete 1 zar Lλ a Lν v rovine detektoru2 energii dopadajıcı na detektor3 pocet fotonu dopadajıcıch na detektor za

sekundu4 Co se zmenı, jestlize bude cerne teleso mıt

polomer 10 m mısto 1 m?



1. Zar Lλ a Lν v rovine detektoru

Lλ(λ) =2hc2

λ5(

ehc

λkT − 1) , Lν(ν) =

2hν3

c2(

ehνkT − 1

)λ = 10−6 m,ν = c/λ = 2.998 · 1014 Hz

c = 2.998 · 108 m/sh = 6.626 · 10−34 Jsk = 1.381 · 10−23 J/K

Lλ = 6.74 · 107 Wm3ster

, Lν = 2.25 · 10−13 Wm2ster ·Hz



2. Energie dopadajıcı na detektor

P = SzΩTOLλ∆λ

= SzΩTOLν∆ν

TO = 0.5∆λ = 10−8 m∆ν = 2.998 · 1012 HzS < Sz ⇒ S

P = 8.32 · 10−9 W

Sa = πr2 = 7.85 · 10−3 m2

Ω = Sa/d2 = 7.85 · 10−9 sterS = πR2 = 3.14 m2

Sz = πd2 tan2 ζ = 9.57 m2

plocha zdroje

plocha zdrojev zorném poli

poloúhel zorného poleoptické soustavy

plochaoptickésoustavy

detektor

prostorový úhel

S

Sz

Sa

d



3. Pocet fotonu dopadajıcıch na detektor za sekundu

Efotonu =hcλ

= hν E1µm = 1.99 · 10−19J

→ 4.19 · 1011 fotonu/s

4. Cerne teleso polomeru 10 m

S = 314 m2, Sz = 9.57 m2, Sz < S ⇒ Sz

L se nezmenıP = 2.53 · 10−8 W1.28 · 1012 fotonu/s


Uvod Polovodice

Vlastnosti polovodicu

meziclanek mezi vodici a izolantyenergeticke hladiny atomu urcujı hladiny materialuenergeticke hladiny zdruzeny do pasu – vodivostnı a valencnı,mezi nimi pas zakazanych energiı s sırkou EgPauliho vylucovacı principnosice naboje – elektron ve vodivostnım pasu, dıra (absenceelektronu) ve valencnım pasuexcitace elektron-deroveho paru vnejsım zdrojem (napr. dopadfotonu hν > Eg), rekombinace→ vyzarenı fotonuv termalnı rovnovaze izolant, tepelne excitace, vodivost vzrusta spoctem excitovanych nosicu


Uvod Polovodice

Prımy a neprımy prechod

Prımy excitace a rekombinace bez zmeny hybnosti hk → vhodnymaterial pro zdroje zarenı

Neprımy u rekombinace nutna zmena hybnosti→ detektory

E1

Ev

Ec

E2

hEg

E

k

h

k

E

Relaxace

a) Přímý přechod b) Nepřímý přechod


Uvod Polovodice

Polovodicove slitiny

Elementarnı IV skupina, nejcasteji Si a Ge, neprımy prechodBinarnı III+V, napr. GaN (mala Eg → detekce v IC)

Ternarnı 2xIII+V nebo III+2xV, ladenı mrızkove konstantyKvaternarnı 2xIII+2xV, vıce stupnu volnosti

Hg80

Pb82

Cd48

In49

Sn50

Sb51

Te52

Zn30

Ga31

Ge32

As33

Se34

Mg12

Al13

Si14

P15

S16

B5

C6

N7

O8

6

5

4

3

2

II III IV V VI

Pevná látka

Kapalina

Plyn5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

Mří

žkov

áko

nsta

nta

[A]

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Šířka zakázaného pásu Eg [eV]

10 5 2 1.5 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5g [ m]

InSb

InAs

GaSb

Ge

Si

GaAs

InP

AlSb

AlAs

GaP

AlP


Uvod Polovodice

Dopanty

Polovodice z IV skupiny – 4 valencnı elektrony, ktere zdılı se sousedy vmrızce – plna valencnı slupka→ zadne volne nosice

Dopant mala prımes atomu polovodice ze skupin III nebo V dopolovodice ze skupiny IV

Donor prımes z V, prebytek volnych elektronu, n-typAkceptor prımes z III, prebytek volnych der, p-typ

Intrinsicky polovodic bez prımesıExtrinsicky polovodic s prımesemi


Uvod Polovodice

p-n dioda usmernuje elektrickyproudinjekce majoritnıch nosicu (+na p-typ) – i ≈ exp(V )

injekce minoritnıch nosicu (−na p-typ) – zaverne napetı,maly ustaleny proud

............. .............. . . . ........................ ...........

Kon

cent

race

nosi

čůE

nerg

ieel

ektr

onu

Ochuzená vrstva

---

+++

x

p(x) n(x)

EfeV0

p n

p-i-n dioda – sirsı ochuzena oblastheteroprechod – napr. p-p-n, skoky v potencialnı energii – barierynebo jamy (narazova ionizace)material s velkou Eg – transparentnı pro svetlo (okenko)


Uvod Zakladnı obecne vlastnosti detektoru

Kvantova ucinnost η Quantum efficiency

Pravdepodobnost, ze jeden foton da vzniknout nosici naboje, kteryprispeje k proudu v detektoru.

η = (1− R)ξ(1− e−αd ), 0 ≤ η ≤ 1

p

(1-R)

Foto

nov

ýto

k

0 d x

Odražený

1/Prošlý

Dopadající

Fotocitliváoblast

1

10

102

103

104

105

106

Abs

orpč

níko

efici

ent[

1/cm

]

0.02 0.1 0.2 0.5 1 2 5Energie [eV]

50 10 1 0.5 0.2g [ m]

GaAsSi

FononyVolné nosičeMezipásové přechody



η = (1− R)ξ(1− e−αd ), 0 ≤ η ≤ 1

R odraz na vstupnım rozhranı, antireflexnı vrstvy, ciste materialy,dobry povrch→ mala rekombinacepro kolmy dopad svetla ze vzduchu

R =(n − 1)2 + (α(λ)λ/4π)2

(n + 1)2 + (α(λ)λ/4π)2

ξ podıl nosicu, ktere prispıvajı k proudu detektoremd tloust’ka materialu, rezonator

Spektralnı zavislost η(λ) – dlouhovlnny limit λc = hc/Eg

Example (Kremık Si)

λ = 830 nm, d = 20µm, n = 3.5, α(830 nm) = 1000 /cm.η ≈ (1− 0.309)ξ(1− 0.135) ≈ 0.6ξ



Absorbcnı koeficienty ruznych materialu

10

102

103

104

105

Abs

orpč

níko

efici

ent[

1/cm

]

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Energie [eV]

10 3 1.5 1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3g [ m]

InSb

InAs Ge

InP

GaAs

Si

GaP GaN



Citlivost S (R) Responsivity

Pomer elektrickeho proudu v obvodu detektoru ip ku intenzitedopadajıcıho svetla P.

ip = ηeΦ =ηePhν

= SP

S =ηehν

= ηλ0[µm]

1.24[A/W] 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

1.0

Citl

ivos

t[A

/W]

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Vlnová délka [ m]

p-i-nSchotky

Ag-ZnS

SiC

Si

GaAs

InGaAs/InP Ge

Au-InGaAs

Pro velka λ pokles S kvuli η(λ), pro velka P – saturaceDetektory s vnitrnım ziskem G = q

e → S = Gηehν = Gη λ0

1.24



Doba odezvy Response time

Minimalnı casovy interval, po kterem detektor zaznamena zmenu vdopadajıcı intenzite.

Rozsırenı doby pruchodu TTS (Transition Time Spread)Driftova rychlost – urychlovanı el. polem × narazy v atomovemrızce

v = τcola = τcoleE/m = µE

a zrychlenı a = eE/mm efektivnı hmotnost elektronu resp. dıryτcol strednı doba mezi dvemi kolizemiµ pohyblivost elektronu resp. dıry



Ramouv vztah – i(t) = −Qv(t)/w , v polovodicıch ve > vh

Prenos naboje 1e: q = e vhw

xvh

+ e vew

w−xve

= eRC konstanta – prodlozenı doby odezvy, odpor R a kapacitance Cobvodu detektoru, τRC = RC

(w-x)/ve

x/vh

0 x wx

t

Díra Elektron

+vh -

ve

V i(t)

ie(t)

ih(t)

evhw

evew

t

i(Nevh)/w

(Neve)/w

Ne(ve+vh)/w

0 w/ve w/vht

i(t)a) b) c)



Vyber vhodneho detektoru

SNR Pomer signalu k sumu (Signal to noise ratio),oscilace vystupnıho signalu (idealne jen statistickefluktuace vstupnıch fotonu)

Linearita (Linearity), odchylka od linearnı zavislosti mezivstupem a vystupem

Dynamicky rozsah (Dynamical range), tez spektralnı sırka pasma,pomer mezi minimalnı a maximalnı intenzitousignalu, kterou lze zmerit beze ztraty informace

Spektralnı odezva (Spectral response), zavislost na vlnove delcedopadajıcıho zarenı

Sırka pasma (Spectral range) rozsah vlnovych delek, pro kterema detektor nenulovou citlivost, maximum citlivostipro λp


Zdroje svetla

Obsah

1 Uvod

2 Zdroje svetlaRozdelenı zdroju svetlaElektromagneticke spektrumLaseryElektroluminiscence v polovodicıch





Zdroje svetla Rozdelenı zdroju svetla

Rozdelenı zdroju svetla

Teplotnı zhavene plamenemzhavene elektricky (zarovky, obloukova lampa)

Vybojove v kladnem svetelnem sloupci (vybojky Hg, Ne, Xe)v zapornem svetle doutnavem (doutnavky)

Luminiscencnı pevne latky buzene zarenım plynu (zarivky,flourescencnı vybojky)pevne latky buzene radioaktivnım zarenımelektroluminiscencekvantove generatory svetla (lasery)


Zdroje svetla Elektromagneticke spektrum

Oblasti elektromagnetickeho spektra I

Radiova km-0.1 m, anteny, TV, radio, mobilyMikrovlnna 100-1 mm, magnetron nebo diody, molekuly s dipolovym

momentem, mikrovlnka, Wi-fi, radarInfracervena vzdalena IC – 1000-10 µm, rotacnı mody molekul a

fononystrednı IC –10-2.5 µm, tepelne zarenıblızka IC – 2.5-0.75 µm, podone jako VIS

Viditelna (VIS) 750-380 nm, maximum zarenı hvezd, energetickavzdalenost elektronovych hladin atomu

Ultrafialova (UV) 380-10 nm, ionizujıcı zarenı, sterilizace



Oblasti elektromagnetickeho spektra II

Rentgenova (X) 10-0.1 nm, neutrinove hvezdy a akreacnı diskycernych der, prochazı predmety

Gama (γ) mensı jak 0.1 nm, vytvarı radioizotopy



Informacnı okna

Volny prostor

Radiove vlny – odraz od atmosfery, ohyb, rusenı atmosferickymijevyBlızka infracervena oblast

Opticka vlakna

kremıkova vlakna – 830 nm, 1300 nm, 1550 nmflouridova a chalkogennı skla – sirokospektralnı, 0.01 dB/kmmultiplexace – vzdalenost spektralnıch kanalu 20 nm


Zdroje svetla Lasery

Pevnolatkove laseryVyhody

vykon/prıkon, vykonne, zivotnost,mensı udrzba

Nevyhody

kvalita svazku, rozstepenı→ sirsıemisnı cara

0.0

0.5

1.0

1.5

Ene

rgie

[eV

]

čerp

áníL

ED

@80

8nm

1064

nm

1340

nm

914

nm

nezářivýpřechod

0

1

2

3

4

Nd3+

:YVO4

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Ene

rgie

[eV

]

čerp

ánív

zele

néob

last

ispe

ktra

700

-10

50nm

nezářivýpřechod

0

1

23

Ti3+

:Al2O3


Zdroje svetla Lasery

Plynove lasery

uzke cary podlevzdalenosti hladinaktivnıho plynu

Laserová

trubice

Kruhováclona

Disperzníhranol Etalon

Výstupnízrcadlo

Rovinnézrcadlo

Kr+

Brewstrova okénka

0

zisk

módy etalonu

ztrátymódy rezonátoruc/2d

c/2d1


Zdroje svetla Elektroluminiscence v polovodicıch

Princip elektroluminiscence

elektron-derova rekombinaceinjekce minoritnıch nosicu do p-nprechodudlouhovlnny limit λG = hc/EG

internı a externı ηE1

Ev

Ec

E2

hEg

E

k

Materialy

kombinace prvku z III a V skupiny s prımym prechodemGaAs (λG = 873 nm), AlInGaN (250-366 nm),AlInGaP (600-650 nm), InGaAsP (549-3440 nm)


Sırka zakazaneho pasupolovodicovych materialu

Vlnova delkapolovodicovych laseru


Polovodicove zdroje

LED Light emitting diodes

slabe cerpanı, jen spontannı emise, bıle LED – kombinace LEDsvıtıcıch cervene, zelene a modre

SLD Superluminiscent diodes

silne cerpanı, laserovanı zabraneno antireflexemi, zdrojnekoherentnıho zarenı

LD Laser diodessilne cerpanı, podpora stimulovane emise rezonatorem (stenypolovodice)



Porovnanı spekra LED a laserove diody

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Nor

mov

aná

inte

nzita

770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910

Vlnová délka [nm]

LEDLD

814 816 818


Rozdelenı typu detektoru svetla

Obsah

1 Uvod

2 Zdroje svetla

3 Rozdelenı typu detektoru svetlaRozdelenıLidske okoFotografie




Rozdelenı typu detektoru svetla Rozdelenı

Fotonove detektory

reakce prımo na jednotlive fotony→ excitace nosice naboje→chemicka reakce nebo zmena elektrickeho proudu nebo jen znasobenıpoctu nosicu naboje

Fotoefektfotony excitujı nosice naboje→ zmena vodivosti materialuVnitrnı v polovodici, excitace elektron-deroveho paru, nosice naboje

zustavajı v materialu, hν > Eg

Vnejsı fotoelektronova emise, elektron energiı fotonu vytrzen dovolneho prostoru, hν > W popr. hν > Eg + χNEA – negativnı elektronova afinita (χ < 0)



Vnejsı a vnitrnı fotoefekt I

a) b)c)

-

hW

Volný elektron

Nejbližší vyšší pásVakuum

Vodivostní pás kovu

+

-

+

-

h h

W

Eg

Volný elektron

Vodivostní pás

Vakuum

Fermihohladina

Valenční pás polovodiče



Vnejsı a vnitrnı fotoefekt II

Vnejsı fotoefektFotonka

Fotonasobic sekundarnı emise, zesılenı az 107

MCP mikrokanalkovy zesilovac, prostorove rozlisenı

Vnitrnı fotoefektFotoodpor zmena vodivosti materialu s intenzitou dopadajıcıho zarenıFotodioda excitace elektron-derovych paru v ochuzene oblasti p-n

prechoduAPD lavinova fotodioda, urychlovacı napetı→ excitace dalsıch

nosicu narazovou ionizacı



Ostatnı typy detektoru

Termalnı detektory

absorbce fotonu→ zmena teploty→ zmena vlastnostı materialu(vetsinou elektrickych)pomala odezva (10−3 s)bolometry a spol.

Koherentnı detektory

reakce na zmenu velikosti elektrickeho pole signalu, moznosturcenı faze dopadajıcıch fotonuIC po radiohomodynnı detekce


Rozdelenı typu detektoru svetla Lidske oko

Lidske oko

Viditelna oblast– 400-700 nm (VIS)– 100-315 nm se absorbuje vrohovce a komorove vode– blızka IC do 1400 nm projde nasıtnici (mozne poskozenı)– delsı λ asborbovany v rohovce

Proces detekcedopad fotonu excituje elektron vbarvivu bunky – nervovy vzruch



Sıtnice



Tycinkybarvivo rodopsinmaximum citlivosti 510 nm120 mil., neostre videnı za sera

Cıpky

barviva B, G a R v pomeru 1:16:32spolu max. citlivosti na 555 nm7 mil., vetsina ve zlute skvrne



lokalnı maximum R okolo 400 nm→ fialova mısto modresubjektivnı vjem oka ∼ log(Φ)adaptace pro rozdıl 11 radu v intenzitepupila – r = 2 mm pro 10000 lx, r = 6 mm pro 1 lx

400 500 600 700 [nm]

Inte

nzit

ní odezva


Rozdelenı typu detektoru svetla Fotografie

Princip fotografie

Zaznamdopad fotonu na halid strıbra (AgBr, AgCl, AgBrI)→ Ag + Bruvolnenı Ag z kryst. mrızky, stabilnı cerne zarodecne centrum Ag2ucinnost 1-5%

Vyvolanıchemicky procesredukce AgBr na Ag3Ag katalyzatoremzesılenı 108 - 1011

odstranenı AgBr10-20 fotonu/zrno –50% ze zcernabinarnı zaznam

sklo nebo plast

izolární vrstva

dělící vrstva

zrna halidu stříbrav želatinovém pojivu

ochranný želatinový povrch



Spektralnı odezva

pro AgBr je W = 2.81 eV,→ λg = 440 nm

Detekce UVzelatina absorbuje pod 300 nm→zrna na povrchu

Detekce delsıch λexcitace vıce fotony presmezihladinyzcitlivenı zrn barvivy

1

10

102

103

104

105

106

Abs

orpč

níko

efici

ent[

1/cm

]

250 300 350 400 450 500

Vlnová délka [nm]

5 4 3Energie [eV]

AgBrAgCl



Charakteristicka krivka

1. Hruby sumneodstranitelny, i bez expozice,nahodny vznik zarodecnych center

2. Podexpozice

regenerace AgBr (Schwarzchilduvjev), T-krystaly (zplostela zrna),zchlazenı, nasycenı vodıkem log(H)

Hus

tota

zčer

nalý

chzr

n

3

12

4

3. Linearnı oblastkontrast γ = tan θ klesa s velikostizrn

4. Preexpozicesaturace



Vlastnosti fotografickeho zaznamu

Rychlost

doba expozice potrebna pro urcitou hustotu zcernalych zrnhola zrna – cım vetsı tım rychlejsızrna zcitlivela barvivem – reakce jen na povrchu→ zplostenıvelikost zrna ∼ λ → difrakce→ zpomalenıpro zrychlenı – zchladit, predexpozice nebo lazen s ionty Ag

Rozlisenıv carach na mmumerny velikosti zrn, x10 az 100 kvuli rozptylu

Sumneroste s delkou expozice ani s teplotou (vyhoda oproti CCD)chemicky sum pri vyvolavanı je zanedbatelny



Barevna fotografie

Zrna citlivána červenou

Zrna citlivána zelenou

Holá zrna citlivájen na modrou

exponováno neexponováno

Neexponovanázrna nahrazenabarvivem:

žlutým

purpurovým

azurovým

Žlutý filtr Žlutý filtr odstraňen

Barevné složky obrazu Osvětlení bílým světlem

vıce vrstev pro zvetsenı dynamickeho rozsahu (az 1:106),jednorazove fotoaparaty s fixnı zaverkouvrstva navıc citliva na modrou, pri vyvolanı nahrazena azurovymbarvivem, zaznam vıce odpovıda vjemu oka



Dokonaly zaznam barevne informace

Gabriel Lippmann

1894 – prvnı metoda zaznamu barevne fotografie1908 – Nobelova cena za fyzikufotograficka emulze s rozlisenım 2-3 tis. car/mmstojate vlnenı→ periodicka expozice, perida umerna λ

Tekutá rtuť

Obraz nebo bílé osvětlení

ZrcadloFot. emulzeSkleněná deska


Vnitrnı fotoelektricky jev

Obsah

1 Uvod

2 Zdroje svetla


4 Vnitrnı fotoelektricky jevFotoodporyFotodiodySum fotodetektoru



Vnitrnı fotoelektricky jev

Vnitrnı fotoefekt

detekce v polovodicovem materialu v oblasti bez volnych nosicu(velky odpor)dopad fotonu (hν > Eg) excituje elektron (−e) do vodivostnıhopasu, na jeho mıste zustava dıra (+e)

zmena vodivosti materialu nebopohyb nosicu vlivem elektrickehopole→ elektricky proud v obvodu +

-

hEg

Vodivostní pás



Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory

Fotoodpory Photoconductors

za tmy pocet volnych nosicu umerny teplote→ nenulova vodivostdopadajıcı fotonovy tok Φ→ zvysenı vodivosti materialu σ

Material polovodicoveho detektoru

Vlastnı intristicke, cisty polovodic bez prımesı, jenmezipasove prechody

Nevlastnı extrinsicke, dopovany polovodic, prechody z donorovenebo akceptorove hladiny

Heterostruptury vrstvy ruzne dopovanych polovodicu, kvantovebariery a jamy



Vlastnı fotoodpory Intrinsic photoconductors

absorpce fotonu jen dıky mezipasmovym prechodum, hν > Eg

tvar a vzdalenost elektrod – minimalizace doby pruchodupruhledny substrat osvetleny zezadu, beze ztrat na kontaktech

h

h

Izolátor

Polovodič

Elektrody



w

V

ipA

h

+-

Rychlost generace R

R =ηΦ

wA=

∆nτ

∆n koncentrace a τ doba zivota

Zmena vodivosti ∆σ

∆σ =ηeτ(µe + µh)

wAΦ

µe,h - pohyblivosti elektronu a dıry

Ohmuv zakonJp = ∆σE , ip = AJp → ip = ηeτ(µe + µh)ΦE/wve,h = µe,hE – strednı rychlost nosicuτe,h = w/ve,h – strednı doba pruchodu nosicuvetsinou vh ve → ip ≈ ηeΦτ/τe



Zisk G = τ/τe → ip ≈ ηeΦG

pokud τ < τe je G < 1 – jen cast nosicu prispeje k proudu, zbytekzrekombinuje, konstrukce – mala vzdalenost kontaktu × velikostsvetlocitlive plochy

Zakon zachovanı kontinuity proudu

je-li vh ve dojde elektron na kontakt drıv nez dıra→ novy elektron zdruheho kontaktu, pruchod polovodicem, opakovanı dokud nedojde krekombinaci nebo dıra nedojde na kontakt, zisk umerny poctupruchodu elektronu polovodicem

Example (Zisk fotoodporu)

w=1 mm, ve = 107 cm/s→ τe ≈ 10−8 s, τ podle materialu od 10−13 spo nekolik sekund. Volbou materialu velky rozsah zisku 10−5–109,maximalne ale jen 106 – omezenı hustotou proudu, narazovou ionizacıa prurazem dielektrika



Vlastnosti materialu I

Material κ0 τ [s] µe [cm2/Vs] µp [cm2/Vs] Eg [eV]Si 11.8 10−4 1 350 480 1.11Ge 16 10−2 3 900 1 900 0.67

PbS 161 2 · 10−5 575 200 0.37InSb 17.7 10−7 105 1 700 0.18GaAs 13.2 ≥10−6 8 500 400 1.43InP 12.4 ∼10−6 4 000 100 1.35

Spektralnı citlivost

zavisı na η materialu, dlouhovlnny limit dan Eg

slitina HgxCd1−xTe ma Eg ∈ [1.55,0] eV→ λc ∈ [800,∞] nm(HgTe je kov)posun λc podle teploty o 5 az 10%, nad 2 µm chlazenı



Vlastnosti materialu II

Citlivostumerna G a η, tvar a velikost kontaktu, predpetı az po prurazne(potom fluktuace vodivosti, narust sumu, destrukce)materialy s velkou τ (neprımy prechod, vysoka cistota bezrekombinacnıch center)

Doba odezvy

zavisı na τe,h a RC konstante

R =w2

ηeΦτ(µe + µh), C =

Aκ0ε0

w, ε0 = 8.854 · 10−12 F/m

τ ∼ G ale τ ∼ 1/B, B – sırka pasma (rychlost odezvy), GB ≈ 109

meznı frekvence 12πτ



Nevlastnı fotoodpory Extrinsic photoconductors

excitace elektronu z donorove hladiny do vodivostnıho pasu,vazana dıraexcitace dıry z akceptorove hladiny do valencnıho pasu, vazanyelektron

vetsı pravdepodobnost termalnı excitace – chlazenı az na 4 K

Absorbcnı koeficient α(λ) = σi(λ)N1

σi(λ) – fotoionizacnı prurez, N1 – koncentrace dopantukoncentrace N1 limitovana rozpustnostı (1016–1021/cm3) anezadoucım narustem vodivosti (1015–1016/cm3)absorpcnı koeficient mensı cca o tri rady oproti vlastnımpolovodicum→ zvetsenı objemu


0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

1.0

Nor

mov

aná

citli

vost

[A/W

]

2 5 10 20 50 100 150 200

Vlnová délka [ m]

Ge:Hg Ge:Cu

Ge:Zn

Ge:Ga

Ga:Gastressed

Dopant Typ Ge Siλc [µm] σi [10−15cm2] λc [µm] σi [10−15cm2]

Al p 18.5 0.8B p 119 10 28 1.4Be p 52 8.3 0.005Ga p 115 10 17.2 0.5In p 111 7.9 0.033As n 98 11 23 2.2Cu p 31 1 5.2 0.005P n 103 15 27 1.7Sb n 129 16 29 6.2


Heterostruktury

vrstvenı ruzne dotovanych polovodicu→ potencialove jamy(GaAs) a bariery (AlGaAs)QWIP Quantum-well a QDIP quantum-dot infrared photodetectorstlaceny material (stressed) – narusenı krystalove mrızky, snızenıexcitacnı energie

Komercnı fotoodpory Tesly Blatna a.s.Typ Vmax [V] Pmax [mW] λsmax [nm] R10lx [kΩ] Rmin [MΩ]

M0856 20 250 125 560 13...27 2P0860 200 320 125 600 130...260 50K0772 10 150 125 720 6.5...13.5 10


Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody

Fotodiody Photodiodes

Princip

materialy s velkou vodivostı nelze pouzıt jako fotoodporyp-n rozhranı – selektivnı presun termalne excitovanych majoritnıchnosicu, elektrony do n a dıry do p-typu, kde rekombinujıvnitrnı elektricke pole (kontaktnı potencial Vb)ochuzena oblast bez volnych nosicumimo ochuzenou oblast zanedbatelny potencialovy rozdıl(relativne velka vodivost dotovaneho materialu)jen mezipasmove prechody majoritnıho cisteho polovodiceexcitovany elektron a dıra se pohybujı opacnym smerem dıkyvnitrnımu elektrickemu polizmena vodivosti prechodu s dopadajıcım zarenım



p-n fotodiody

zaverne napetı (kladne nan-typ)→ sectenı potencialu,zvetsenı ochuzene oblasti,zvetsenı odporu, zmensenıkapacitance

proud ip = ηeΦ a citlivostS =

ipP = eη

hν podobne jako ufotoodporu

i = is[e(eV/kT ) − 1

]− ip

is – saturovany proud

............. .............. . . . ........................ ...........

Kon

cent

race

nosi

čůE

nerg

ieel

ektr

onu

Ochuzená vrstva

---

+++

x

p(x) n(x)

EfeV0

p n



Oblasti absorpce podle transportu nosicu

1 ochuzena oblast, transport vlivem vnitrnıho elektrickeho pole2 v bezprostrednı blızkosti ochuzene oblasti muze nosic naboje

nahodne dodriftovat do oblasti s elektrickym polem, koeficientdifuze De,h [cm2/s], difuznı delka Le,h =

√De,hτe,h [cm]

3 ve vzdalenosti vetsı jak Le,h neprispejı nosice k proudu ve vnejsımobvodu

Elektrické pole

3 2 1 2 3

Fotony

0 +-

+-

+-

+-

+-

E

U

ip

p n



Doba odezvy

zavisı na τe,h a RC konstante stejne jako u fotoodporunavıc doba difuze nosicu vzniklych mimo ochuzenou oblast

Materialy fotodiod s meznı vlnovou delkou

diamantove vrstvy 230 nm AlxGa1−xN 200-370 nmGaN 370 nm GaP 520 nmAlxGa1−xAsSb 0.75-1.7 µm Si 1.1µmGaInAs 1.65 µm Ge 1.8 µmInAs 3.4 µm InSb 6.8 µmHg1−xCdxTe 1-15 µm



Elektricke zapojenı I

1 na prazdno – zvysenı elektrickeho pole (napetı na kontaktech), vsolarnıch clancıch, citlivost ve V/W

2 na kratko – prıme spojenı, merı se fotoproud ip

0

=0

1

2

U

i

Up1 Up2is

Up

0

=0

1

2

U

i

-ip1

-ip2

is

ip



Elektricke zapojenı II

3 se zavernym napetım4 se zavernym napetım s odporem v serii

U

i

-UB

iUB

U

i

-UB

-UB/RL

i UB

RL



p-i-n fotodiody

vlastnı nebo slabe dotovanypolovodic mezi p a n-typ→ sirsıochuzena vrstva

vetsı svetlocitliva oblastsnızenı C ale prodlouzenı τe,h

mensı pomer mezi difuznı adriftove vzdalenosti→rychlejsı odezva

Ele

ktric

képo

leH

usto

tavá

zané

honá

boje

Ene

rgie

elek

tron

u Elektrické pole

Ochuzená vrstva

+

---

+++

-

x

x

Ev

Ec

p i n



Vlastnosti p-i-n

Citlivostneprımy zakazany pas – maximum Spro λ < λg

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Citl

ivos

t[A

/W]

0 200 400 600 800 1000

Vlnová délka [nm]

Ideální Si fotodiodaTypické Sifotodiody

g

Heterostruktury

vrstva s vetsı sırkou zakazaneho pasu – pruhledne okenkoAlGaAs/GaAs – 700-780 nmInxGa1−xAs/InP – 1.3-1.6 µm, η ∼ 75%, S ∼ 0.9 A/WHgxCd1−xTe/CdTe – 3-17 µm, nocnı videnı, komunikace



Fotodiody s Schottkyho barierou

heteroprechod kovu a polovodice, majoritnı nosicetenka ochuzena oblast poblız povrchu – detekce kratkych λrychla odezva (ps), mala RC konstanta (maly odpor kovu)

Pol

ovod

ič

Kov

+

-

-

+

Kov PolovodičEv

EcEf

W-



Technicke parametry komercnıch fotodiod

λp pro maximum citlivostiRSH odporovy bocnık

CJ kapacitance prechoduVBIAS predpetı

fBW sırka pasma fBW = 12πRLOADCJ

Vout napetı na zatezovem odporuVout = PoptS(λ)RLOAD

ID temny proudNEP (noise equivalent power)

NEP = δInoiseSG [W/

√Hz]

Inoise sumovy proud(termalnı+temny+signalnı+ziskovy)

G zisk transimpedancnıho zesilovace

aktivnı oblastrozsahdetekovanychvlnovych delekmeznı frekvencemez linearityprah znicenıdelka nabezne aubezne hranyimpulzu(tR ≈ 0.35/fBW )



Lavinove fotodiody APD – Avelanche photodiodes

zaverne napetı na p-nprechodu velike→narazova ionizace, lavinovenasobenı nosicu naboje +

-

+

--

+

-

+

1

2

3Urychlení elektronu

Excitace

Urychlení díry

Excitace

h

Eg

Ev

Ec

x

n

p



Koeficient ionizace a ionizacnı pomer

αe,h koeficient ionizace elektronu a der [1/cm]roste s elektrickym polemklesa s teplotou

K ionizacnı pomer K = αhαe

αh αe, K 1, excitujı jen elektrony, lavina z p do nαh αe, K 1, excitujı jen dıry, lavina z n do pαh ≈ αe, K ≈ 1, excitujı oba nosice, zvysenı zisku ale delsıodezva (mensı sırka pasma), vıce sumovy, nestabilnı,moznost lokalnıho prurazu a poskozenı detektoru



SAM APD Separate Absorption-Multiplication APD

u APD velikosti svetlocitlive plochy × multiplikacnı oblastiz materialu s malym Kve velke slabe dotovane oblasti (π) elektricke pole male nanarazovou ionizaci – detekceuzka multiplikacnı oblast s velkym elektrickym polem – lavinezesılenı

Elektrické pole

Hustota náboje+

-- x

p+

p n+



Zisk APD

K = 0 → Je(x) = Je(0)eαex

G = eαew

multiplikace elektronu i der,potom Je(x) + Jh(x) = konst .a

G =1−K

e−(1−K)αew −K

K = 1 → G = 11−αew

pro αew = 1 je G =∞→ nestabilnı situace, moznostznicenı detektoru

0 w x

Je(0)

Je(w)

Je(x)

Jh(x)

0

10

20

30

G

0 1 2 3

ew

= 1 = 0.5 = 0



Citlivost APD

S =ηGehν

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

Pro

ud[A

]

10 15 20 25 30

Závěrné napětí [V]

Temný proudFotoproud

Průraznénapětí

Destrukčnínapětí

Oblast zisku

Materialy

podobne jako u p-i-n fotodiodSi 700-900 nm, K mezi 0.1 a 0.2 ale i 0.006

InGaAs 1.3-1.6 µm, vetsı K i citlivost, strednı sum,pracovnı napetı 105 V/cm



Doba odezvy APD

1 doba pruchodu ochuzenou vrstvou sırky wd

2 doba driftu poblız ochuzene vrstvy3 RC konstanta4 charakteristicka doba lavinoveho nasobenı τm

τ =wd

ve+

wd

vh+ τm

pro K = 0 je hornı limit τm = wmve

+ wmvh

, kde wm je sırkamultiplikacnı oblasti0 < K < 1 a G 1, potom τm ≈ GKwm

ve+ wm

vh



APD v Geigerove modu – jednofotonove APD

dokazı zaznamenat dopad jednotlivych fotonupro zobrazovanı, navadenı satelitu, kvantova informatikabinarnı – dopadl foton × nedopadl fotonnadprurazne napetı, dopad fotonu→ velka lavina, nutne aktivnı cipasivnı zhasenısamovolna (temna) detekce, cistota materialu



Materialy jednofotonovych APD

Si 0.4-1 µm, ηmax ≈ 75%, temne detekce <100/s, rychle (50ns aktivnı zhasenı)

InGaAs/InP 1.3-1.6 µm, ηmax ≈ 20%, temne detekce 5 000/s,pomalejsı

Ge a Si-Ge pro telekomunikacnı oblast 1.3-1.6 µmpro IC do 4 µm detektor s absorbcnı oblastı z InAsSb,multiplikacnı oblast z AlGaAsSb na substratu z GaSbGaN a SiC pro UV, SiC odolny velkym teplotam a nehostinnemuprostredılepsı kvantova ucinnost na ukor sırky pasma


Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru

Sum fotodetektoru

Generovany elektricky proud i je nahodna velicina

ip = ηeΦ = SP, σ2i = 〈(i − ip)2〉

Zdroje sumu1 Fotonovy sum – dopadajıcı fotony, vetsinou Poissonovo rozdelenı2 Fotoelektronovy sum – vzdy pro η < 13 Sum zisku – u fotoodporu a APD zisk nahodny4 Sum vnejsıho obvodu – odpory, kapacitory atd.5 Sum pozadı – neodstınene svetlo z nesledovanych zdroju,

termalnı zarenı objektu6 Temny sum – nahodna generace nosicu tepelne nebo

tunelovanım



Vstupní optickýsignál

Fotonový šum

Detekovanýsignál

Fotoelek. šum

Obvodový šum

Vstupní optickýsignál

Fotonový šum

ZiskDetekovaný

signál

Fotoelek. šum

Šum zisku

Obvodový šum

Fot

oefe

kta

sběr

prou

du

Fot

oefe

kt

Sbě

rpr

oudu

Veliciny pomerujıcı sum

SNR Pomer signalu k sumu, SNR = i2p/σ2i SNR = n2

p/σ2n, minimalnı

detekovany signal ma SNR = 1F Faktor zvysenı sumu (Excess noise factor), F = 〈G2〉/〈G〉2

BER Chybovost na bit informace (Bit errorr rate)Citlivost prijımace (Receiver sensitivity) minimalnı Φ pro urcitou

hodnotu SNR0 (10-103) popr. BER (109)



Fotonovy sum

neodstranitelny, charakteristika dopadajıcıho zarenıLaserove zarenı nebo termalnı s sırkou spektra > 1/T –Poissonova statistika

Poissonova statistika (vystrelovy sum)

p(n) = (nnpe−np )/n!, σ2

n = np, SNR = np, minimalnı detekovany signalje 1 foton

Prıkladpro t = 1µs a λ = 1.24 µm je minimalnı detekovany vykon 0.16 pW.Pro SNR0 = 103 (30 dB) potreba 103 fotonu. Pro t = 10 ns toodpovıda 1011 fotonu/s nebo 16 nW



Fotoelektronovy sum

Nahodnost vzniku paru nosicu po dopadu fotonu

s pravdepodobnostı η vzniknes pravdepodobnostı 1− η nevznikne

Pocet fotoelektronunahodna velicinastrednı hodnota mp = ηnp = ηΦtkopıruje statistiku dopadajıcıho zarenı(Poissonova→ σ2

m = SNR = mp = ηnp)fotoelektronovy a fotonovy sum nejsou aditivnı



Sum fotoproudu I

fluktuace elektrickeho proudu i(t) v obvodu fotodetektoru vzavislosti na dopadajıcım fotonovem tokuzahrnuje fotonovy a fotoelektronovy sum, charakteristickou dobuodezvy a elektricke zapojenı detektoru

ipt

i t

it

t

pPlochae

Fotony

Fotoelektrony

Proudovépulzy

Elektrickýproud

(výstřelovýšum)



Sum fotoproudu II

dopadajıcı zarenı Φ popr. np generuje ηnp = mp fotoelektronu zatr (rozlisovacı schopnost), tr = 1

2B

fotoproud i(t), ip = mpe/tr , σ2i = (e/tr )2σ2

m

Poissonovske dopadajıcı zarenı

ip = eηΦ, σ2i = 2eipB, SNR =

ip2eB

=ηΦ

2B= mp

ExamplePro ip= 10 nA a B= 100 MHz je σi ≈ 0.57 nA, SNR = 310 (25 dB).Tedy 310 fotoelektronu je detekovano v kazdem casovem intervalu tr =5 ns. Minimalnı zaznamenatelny fotonovy tok je Φ = 2B/η a procitlivost prijımace SNR0 = 103 dostanemeΦ = 1000(2B/η) = 2 · 1011/η fotonu za sekundu.



Sum zisku

Proces zesılenıdeterministicky, potom e → q = Ge, zadny sum navıcnahodny (u fotoodporu, APD i fotonasobice)potom Gp s σ2

Gproud v obvodu ip = eGpηΦ s σ2

i = 2eGpipBF

Faktor zvysenı sumu F

F = 〈G2〉〈G〉2 = 1 +

σ2G〈G〉2

F ≥ 1 a roste s nahodnostı zesılenıSNR =

ip2eGpBF = ηΦ

2BF =mpF



Faktor zvysenı sumu u APD

Injekce nosice naboje do multiplikacnı oblasti APD s Kelektrony K < 1, F = KGp + (1−K)(2− 1/Gp)

dıry K > 1, F = Gp/K + (1− 1/K)(2− 1/Gp)

oba sectenı vzorcu

1

10

100

1000

Fak

tor

zvýš

eníš

umu

1 10 100 1000

Střední zisk

=0

0.01

0.05

0.1

0.5

151050100

F

Gp



Prıciny sumu zisku APD1 nahodnost mısta vzniku2 zpetna vazba – excitujı oba

nosice

+

-

--

+

Urychlení

Excitace

h

n

p

Moznosti potlacenı sumu zisku

organizace materialu, jen pro wm < 400 nm a maly ziskuprava energie injektovanych nosicu gradientnım polem – redukceprvnı mrtve oblastiheterostruktury – skoky v energetickych pasech



Obvodovy sum

tepelny pohyb nosicu naboje v odporech a fluktuace v tranzistorechzesilovace

Tepelny sum (Johnsonuv, Nyquistuv)

nahodne fluktuace proudu pro T > 0je-li frekvence zmen kT/h = 6.24 THz (T = 300 K) a B kT/h,potom σ2

i ≈ 4kTB/R

parametr sumu obvodu σq

σq = σr tre = σr

2Be , σr/e - variance elektronoveho toku

obvod limitovan odporem – σq =√

kTe2RLB

obvod limitovany zesılenım – σq ≈√

B100



Pomer signalu k sumu SNR

SNR =ip

2eGpipBF + σ2r

=(eGpηΦ)2

2e2G2pηBΦF + σ2

r=

G2pm2

p

G2pFmp + σ2

q

detektor bez zisku→ SNR = m2p/(mp + σ2

q)

minimalnı pocet fotoelektronu mp0 pro urcitou hodnotu SNR0 –

mp0 = 1/2[SNR0 +

√SNR2

0 + 4σ2qSNR0

]

10

102

103

104

105

SNR

10 102

103

104

105

mp

q

Gp

F

mp = q2

Gp = F = 1

= 100

= 100

= 2

APD

Fotodioda

1

10

100

SNR

1 10 100 1000

Gp

=0

0.1

1

mp

q

= 1000

= 500



Chybovost BER

”1” – detekce np fotonu × ”0” – bez detekce (0 fotonu)prumerny pocet fotonu na bit→ npa = np/2Poissonovo rozdelenı – BER = e−np/2 = e−2npa/2

Minimalnı pocet fotonu na bit pro BER0 = 10−9

idealnı detektor 10 InGaAs APD 500Si APD 125 p-i-n fotodioda 6 000

Strednı pocet fotoelektronu na bit mpa

mpa = 18F +6σq

Gp


Vnejsı fotoelektricky jev

Obsah

1 Uvod

2 Zdroje svetla



5 Vnejsı fotoelektricky jevSoucasti fotonasobiceUzitı fotonasobicuFyzikalnı vlastnosti fotonasobicuKonstrukce fotonasobicu



Vnejsı fotoefekt (fotoelektronova emise)

Foton doda elektronu takovou energii, ze prekona vystupnı praci kovuW popr. energii zakazaneho pasu Eg a elektronovou afinitu χpolovodice a unikne do vakua.

a) b)c)

-

hW

Volný elektron

Nejbližší vyšší pásVakuum

Vodivostní pás kovu

+

-

+

-

h h

W

Eg

Volný elektron

Vodivostní pás

Vakuum

Fermihohladina


fotonasobic = fotokatoda + dynody + anodadobra citlivost a η v UV a VIS, rychly cas odezvy, nızky sum



Historie

Fotokatoda1887 Hertz, objev fotokatody1905 Einstein, teoreticky popis1913 Elster a Geitel, prvnı

fotoelektricka trubice(fotonka)

1929 Koller a Campbell,fotokatoda z Ag-O-Cs, 100xcitlivejsı

pozdeji bialkalicke fotokatody proVIS, multialkalicke pro IC,alkalihalidove pro UV,polovodicove s NEA

Fotonasobic1902 Austin, povrch pro

sekundarnı emisi1935 Iams a kol., trioda

(fotokatoda+dynoda) prozesilovac zvuku filmu

1936 Zworykin a kol., dalsıdynody, transport elektronuelektrickym a magnetickympolem

1939 Zworykin a Rajchman,elektrostaticky fokuzacnıfotonasobic z Ag-O-Cs apozdeji z Sb-Cs


Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice

Konstrukce fotonasobice

FotokatodaAnoda

DynodyUK U1 U2 U3 Un

vakuum pro zamezenı ztrat a ionizacepropustnost okenka a ucinnost fotokatodysekundarnı emise na dynodachsber elektronu na anode, proudovy impulz



Okenko

pruhledna cast krytu, neprodysny spoj, pokud je kryt z jineho materialu

MgF2 od 115 nm, nenı tolikhydrofilnı

Safır (Al2O3) od 150 nmSynteticky Si od 160 nm, mensı

absorpce nez taveny Si,penetrace He

UV sklo od 185 nm 0.05

0.10

0.20

0.30

0.50

0.70

1.00

Pro

pust

nost

120 140 160 200 240 300 400 500

Vlnová délka [nm]

MgF

2

Syn

tetic

kýkř

emík

Bor

osili

káto

vésk

lo

Saf

ír

UV

sklo

Borosilikatove (Kovarove) sklo od 300 nm, teplotnı roztaznost blızkakovarovym slitinam (vodice), malo 40K (K-free), scintilacnı cıtanı



Fotokatoda

Delenı fotokatod podle smeru elektronove emise

Transmisnı head on, tenka vrstva aktivnıho materialu na sklenenedesticce

Reflexnı side on, na kovovem substrate

h

h

ee



Kvantova ucinnost fotokatody

η(ν) = (1− R)Pνk

11 + 1/kL

Ps = (1− R)PνL

kL + 1Ps

R odrazivost materaluk plny absorbcnı koeficient fotonu

Pν pravdepodobnost excitace elektronu do vyssı hladiny nez vakuoveL strednı unikova rychlost elektronu

Ps pravdepodobnost uniku elektronu do vakua



Materialy fotokatod

CsI a CsTe od 200 resp. 300 nm, solar blind, s okenky z MgF2,syntetickeho Si nebo bez

Sb-Cs UV a VIS, pro vetsı intenzity, maly odpor, jen reflexnıBialkalicke Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, UV a VIS, vysoka citlivost, maly

temny proudVysokoteplotnı bialkalicke Sb-Na-K, UV a VIS, mensı citlivost,

pracovnı teplota az 175C (normal 50C)Multialkalicke Sb-Na-K-Cs, od UV po 900 nmAg-O-Cs od 300 po 1 200 nm transmisnı, po 1 100 nm reflexnı, mala

citlivost ve VISGaAsP(Cs) transmisnı ve VIS, velka citlivost, degraduje pro velke

intenzityGaAs(Cs) transmisnı od UV po 900 nm, plocha zavislost citlivosti,

degraduje pro velke intenzity



Zarive citlivosti fotokatod

Reflexnı fotokatoda Transmisnı fotokatoda



Infracervene fotokatody

InGaAs(Cs) posunuta do IC, vyborny SNR mezi 900 a 1 000 nmInP/InAsP(Cs), InP/InGaAs(Cs) polovodicovy p-n prechod, az do 1

700 nm, nutne chlazenı az na -80C kvuli sumu



Dynody

nasobenı poctu elektronu sekundarnıemisıspojita (MCP) × oddelene, stupnovitenapetı 100-200 V, pocet 1-19zisk 10-100, pomer sekundarnı emise δzavisı na materialu a napetızisk na n dynodach – δn

materialy – alkalicko antimonove slitinyBeO, MgO, GaP, GaAsP na elektrodach zNi, oceli a CuBe slitin

elektroda substrátu

povrch sekundární emise

primárníelektron

sekundárníelektrony

1

2

5

10

20

50

100

Pom

ěrse

kund

ární

emis

e50 100 200 500 1000 2000

Urychlovací napětí [V]

GaP:Cs

Cu-BeO-Cs

K-Cs-Sb

Cs3Sb



Trajektorie elektronu

draha elektronu optimalizovana numerickou analyzoufokuzace elektronu na dynodyminimalnı rozdıl casu pruchodu elektronuzamezenı zpetne vazby (iontova, svetelna)

Sberna ucinnost αpocet elektronu na pvnı dynode / emitovanych z fotokadodyhodnota mezi 60 az 90%

Konstrukcezavisı na pouzitıkruhova, box&grid, linearnı fokuzovany typ a jine viz dale



Anodatvar tyce, desky nebo sıteoptimalizece napetı pro omezenı prostoroveho naboje amaximalizaci zisku

Periferie (elektronika a kryt)

stabilizovany zdroj vysokeho napetı 1-2 kV ± 0.1%obvody rozdelujıcı napetı na dynody, anodu a smerovacı elektrodykryt stını elektricke a magneticke pole, nechtene svetlozmena charakteristik fotonasobice podle vnejsıch vlivu (teplota,vlhkost, mechanicke napetı, elemag. pole)


Vnejsı fotoelektricky jev Uzitı fotonasobicu

Vyber fotonasobice podle vlastnostı svetla

Vlnova delka material okenka, maximum citlivosti fotokatodyIntenzita pocet dynod a napetı mezi nimi, analogove nebo

digitalnı zpracovanı signaluRozmer svazku velikost okenka a efektivnı prumer fotokatody,

transmisnı nebo reflexnı fotokatodaRychlost deju rychlost odezvy fotonasobice rychlejsı nez zmena

intenzity signalu, sırka pasma elektroniky



Rezim cinnosti

DC kontinualnı, pomala zmena intenzity signaluAC pulznı, rychle zmeny intenzity signaluPC cıtanı fotonu, binarnı odezva, nastavenı diskriminatoru

.PMT DC npF A/D PCRL

.PMT DC vr A/D PCRL

.PMT AC Discr PČ PCRL



Fotonove cıtanı

Signál:silný slabý velmi slabý

SNR =Ns√

2Ns + 4Nd

Ns – signalnı detekceNd – detekce pozadı, nezavisına sumovem faktorutemny sum a sum zesilovaceorezan diskriminatoremvykyvy napetı na dynodach anizesılenı nema vliv na funkci

Poč

etde

tekc

í

Velikost pulzu

signál + temný proudtemný proud

S(L)


Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu

Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu I

Zariva citlivost

Sk (λ) = Ik/Lp [A/W]

Kvantova ucinnost

η =hcλe

Sk ≈1240λ[µm]

Sk

porovnanı s kalibrovanou fotodiodounebo fotonasobicem

Rozsah spektralnı odezvy

kratkovlnny limit – material okenkadlouhovlnny limit – material fotokatody– pokles na 1% z maxima pro bialkalicke a Ag-O-Cs– pokles na 0.1% z maxima pro multialkalicke



Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu II

Svetelna odezva– zavislost vystupnıho proudu na svıtivem toku (v lumenech) zwolframove lampy teploty 2856 K– katodova a anodova (vlastnosti po multiplikaci)

Zisksberna ucinnost αdynodovy zisk (pomer sekundarnı emise) δ = aUkmaterialova konstanta k = 0.7÷ 0.8δ1 = Idl

Ik- pocet sekundarnıch elektronu ku fotoelektrickemu

proudu, δn = IdnId(n−1)

celkovy zisk µ = αδ1 · δ2 · · · δn, stejny zisk na vsech dynodach→µ = α(aUk)n – velka citlivost na zmenu napetı



Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu III

Casova odezvazpozdenı zpusobone prvky odkatody po anoduTTS ∼ U−2

minimalnı pro linearnıfokuzovany typ a kovovekanalky

0.50.7

1

2

3

5

7

10

20

Čas

[ns]

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

Přiložené napětí [kV]

TTS

Náběžnáhrana

Úběžnáhrana

Náběžnáhrana

Dobaprůchodu



Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu IV

Linearitahornı mez intenzity pro katodu 0.1 az 10 µA, pro anodu 10 mAAC – limituje efekt prostoroveho nabojeDC – limitujı obvody napet’oveho zesilovacelepsı u reflexnıch fotokatod – maly odpor substraturoste s napetım a poctem dynod

Uniformitazmena vlastnostı fotonasobice na poloze a uhlu dopadu fotonu

Stabilitazmena vlastnostı v case, kratkodobe drift (zahrıvanı) 30 az 60 minut,dlouhodobe zivotnost fotokatody 103 az 104 hodin



Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu V

Histerezezavislost vystupnıho proudu na predchozı hodnote

I i Imax I i ImaxImin Imin

0 zahřívání 5 6 7 8 9 (minuty) 5 6 7 8 9

NEBO



Temny proud (temny sum)

anodovy proud se zakrytym detektorem

a pronikly proud z dynod na anodunebo patici (spatna izolace)

b tepelna emise fotokatody a dynod∼ T 4/5e

−eWkT

c scintilace na skle a drzacıchelektrod, elektrony vytrzene polem

ostatnı ionizace na zbylem plynu(vakuum 10−6 az 10−5 Pa),kosmicke zarenı (Cerenkovovozarenı z muonu), radioizotopyobsazene ve skle (betazarenı z 40K)

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

Pro

udna

anod

ě[A

]200 300 500 700 1000 1500 2000

Přiložené napětí [V]

Temný proudVýstupní signálTepelná emise

a

b

c



Zavislost temneho proudu a detekcı na teplote

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

Ano

dový

tem

nýpr

oud

[A]

-40 -20 0 20 40

Teplota [oC]

R316R374R6248R3550

1

10

102

103

104

105

106

107

Tem

néde

tekc

e[H

z]

-60 -40 -20 0 20 40

Teplota [oC]

T,Ag-O-CsGaAsT,baT,maT,ba,nšR,maR,ba,nš



Pomer sigbalu k sumu SNR

SNR =Ip

Ip+d=

Ip+d − IdIp+d

SNR =Ip√

2eB δδ−1(Ip + 2Id ) + N2

A

ip+d

idip+d

id

ip

Zlepsenı SNR

maximalnı ucinnost pro dane λ, optimalizace prenosu elektronu,maximalnı zachycenı svetla, rozsırenı B

SNR elektronoveho nasobice (dynod)

SNR =

√η′n0δ

′1

δ′1+1 , η′ = η· kolekcnı ucinnost, δ′1 = δ1(δ − 1)/δ



Afterpulsing – pravdepodobnost nasledneho pulzu

rychle 1 ÷ 100 nsdusledek elastickych odrazu na prvnı dynodelze eliminovat specialnı elektrodoufotonoveho cıtanı – elektronika je nestihne zaznamenat

pomale 100 ns ÷ 1 µsdusledek zpetne iontove vazby (penetrujıcı He+)rostou s napetım

Zavislost na polarizaci

podle Fresnelovych vztahu, ztraty na rozhranıch okenka a fotokatodypodle uhlu dopadu a typu polarizace


Vnejsı fotoelektricky jev Konstrukce fotonasobicu

Konstrukce fotonasobicu

Kruhovy typ

kompaktnı, reflexnı i transmisnı, rychlaodezva

Box&grid

jen transmisnı, vyborna sbernaucinnost elektronu

he

anodyfotokatoda

mřížka1 až 9 - dynody

1

2

3

45

6

7

8

9

h

e

fotokatoda dynody

poslednídynoda

anoda

kontakty patice

fokuzační elektroda vakuum~10-4

Pa



Linearnı fokuzovany typ

jen transmisnı, rychla odezva, dobre casove rozlisenı a linearita

h

e

fotokatoda dynody

poslednídynoda

anoda

kontakty patice

fokuzační elektroda

Zaluziovy typ

jen transmisnı, velka fotokatoda, jednoduchy sber elektronu

h

fotokatodadynody

poslednídynoda

anoda

kontakty patice

fokuzační elektroda



Mikrokanalektrubicka s vnitrnım ∅ 5 az 45 µm adelkou cca 40x vetsınapetı spojite podel kanalkuvelky sum (o 5 radu oproti dynodam -10−11 A)

Mikrokanalkova desticka MCPsvazek mikrokanalku az do ∅ 10 cmvyborne casove rozlisenıstabilnı zisk (104 az 106) v mag. polis multianodou urcenı mısta dopadupouzitı v intenzifikatorech obrazu

V1

V2

e

h



Sıt’ovy typ

dobra linearitanecitlivy na magneticke poles multianodou urcenı mısta dopadu

Kovove kanalky

podobne vlastnosti jako MCP

Elektronove bombardovanıurychlenı e− vysokym napetımpo dopadu na polovodic excitace sprskyelektronu→ dalsı zesılenıvelky zisk s malym sumem

h

AD

e

h



Porovnanı konstrukcı fotonasobicu

Typ Nabezna Linearita Imunita mag. Uniformita Kolekcnı Kladykonstrukce hrana [ns] [mA] pole [mT] ucinnostKruhovy 0.9 - 0.3 1 - 10 0.1 slaba dobra kompaktnı, rychlyBox&grid 6 - 20 1 - 10 0.1 dobra vyborna velka kolekcnı ucinnostLin. fok. 0.7 - 3 10 - 250 0.1 slaba dobra rychly, vysoka linearitaZaluziovy 6 - 18 10 - 40 0.1 dobra slaba velky prumerSıt’ovy 1.5 - 5.5 300 - 1000 500 - 1500 dobra slaba vysoka linearitaMCP 0.1 - 0.3 700 1500 dobra dobra rychlyKovove kan. 0.65 - 1.5 30 5 dobra dobra kompaktnı, rychlyElek. bomb. zavisı na polovodici - vyborny vyborny vysoke elek. rozlisenı


Maticove detektory CCD a CMOS

Obsah

1 Uvod

2 Zdroje svetla




6 Maticove detektory CCD a CMOSUvodProces detekceVlastnosti CCDSnımanı obrazu CCDBarevne snımanıPorovnanı CCD a CMOSScientific CCD iKon


Maticove detektory CCD a CMOS Uvod

Historie

CCD Charged Coupled Device

vyvyjeny od 60. let 20. stol. v Bellovych laboratorıch jako novy typpocıtacove pametina bazi MOS (Metal Oxid Semiconductor)

CMOS Complementary MOS

vyvyjeny prımo jako detektor svetla (narocny vyvoj)zvladnute od 90. let 20. stol.



Princip

fotoelektronybariéra bariéra

jámaSi substrát

polySiSiO2

U1 U2 U1

polykremık – vodic, SiO2 – izolantvznik elektron-deroveho paru po dopadu fotonuzachycenı elektronu v potencialovych jamachpocet fotoelektronu umerny poctu dopadlych fotonu



Zpracovanı obrazu u CCD

zmenou napetı na kontaktech prenos naboje po radcıch zparalelnıho do serioveho registru, potom po pixelech k jedinemuprevodnıku – prevod na napetıvystupnı zesilovac, zpracovanı a rızenı mimo cip

... ... ... ... ... ...

...

...

...

...

...

...

h

e-

e/U-zesi-lovač A/D přenos

generacečasování

ataktování

řízenítaktování

generátornapětí

oscilátor

CCD obrazový senzor tištěný obvod kameryparalelní registr

sériový registr



Zpracovanı obrazu u CMOS

prevodnık na napetı u kazdeho pixelu (mensı aktivnı plocha)zpracovanı a rızenı na stejnem cipu

CMOS obrazový senzor kamera

tištěnýobvod

e-

e/U-

sloupcový slučovač

sloupcový zesilovač

zesilovač A/D přenos

řádk

ový

přís

tup

řádk

ový

ovla

dač

oscilátor

generátorčasování

a

taktování

gene

ráto

rna

pětí

rozd

ělov

ačna

pětí

kone

ktor



Vyhody kamer

dlouha akumulace signalu – elektronu v potencialovych jamachη od 20 do 95 % (fotofilm 3-5 %)vysoka linearitadobra rozmerova stalost, rozlisenı az 1/10 pixelu (vypocetnıalgoritmy)vysledny obraz ihned k dispozici v podobe datoveho souboru –softwarova upravau CCD zdruzovanı pixelu – zvysenı kapacity, zrychlenı vycıtanıu CMOS windowing – vycıtanı jen casti matice


Maticove detektory CCD a CMOS Proces detekce

Detekce – elektronova excitace

Eν = hν = hc/λ ≥ Eg

Kriticka vlnova delka λc

λc =hcEg≈ 1.24

Eg[eV ][µm]

pro Si je Eg=1.12 eV, tedy λc=1.11 µmdetekce delsıch vlnovych delek – nevlastnı polovodic

Kvantova ucinnost ηzavisı na λpro Si pod 400 nm muze byt η > 100 % (elektronovy mrak)



Vlastnosti kamer

Citlivost S

S = eληhc [A/W] nebo S =

ληAphc

[e−

µJcm2

], kde Ap - plocha pixelu

Absorbcnı koeficient αpro Si je 1/α400 nm = 0.2µm, 1/α650 nm = 3.33µm

Rekombinacnı cas τmimo ochuzenou oblast velice kratkyzavisı na cistote a prımesıchpovrchove rekombinace v dusledku poruch a necistot na rozhranı



Ztraty × signal

odraz na povrchu (Fresnelovyvztahy)absorbce krycımi materialy –ochrana CCD proti degradaci,barevne filtry, elektrodyexcitace elektronu v nebopoblız ochuzene oblastiexcitace a naslednarekombinace mimo ochuzenouoblast, pruchod

e

e e

odrazabsorpce

signálrekombinace

průchod

substrát

ochuzená vrstva

sběrná oblast

elektrody

krycí vrstva



Tenceny CCD cip osvetleny zezadu

Thinned back-illuminated CCDbeze ztrat na kontaktech a krycımfilmuzvysenı citlivosti, posun kekratsım vlnovym delkamsubstrat vylesten na tloust’ku 10az 15 µmnarocna a draha technologie

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

Rel

ativ

níkv

anto

váúč

inno

st

200 400 600 800 1000

Vlnová délka [nm]

ZadníPřední

osvětlení


Maticove detektory CCD a CMOS Vlastnosti CCD

Sum CCD

δreadout Odecıtacı sum, dusledek zesılenı a konverze naboje na napetı,roste s rychlostı CCD (slow scan CCD)

δdark Termalnı sum, dusledkem termalnıch excitacı (Ndark ), klesa steplotouδdark =

√Ndark , Ndark ≈ 10 na pixel za s pro 20C

kratke expozice, termoelektricke chlazenı→ Ndark 1δsignal Sum svetelneho signalu, neodstranitelny, δsignal =

√ηµ

δ =√δ2

readout + δ2dark + δ2

signal

SNR =ηµ

δ=

ηµ√δ2

readout + Ndark + ηµ

Idealnı CCD: µ δ2readout/η

8

10

20

30

40

Poč

etšu

mov

ých

elek

tron

ů

1 10 100 1000

Čas [s]

-25oC

-65oC



Kapacita pixelu Qw Full well capacity

Qw = C0(Vg − VT ), C0 = Aκ0ε0/χ0

A plocha pixelu (typicky 15x15 µm2)κ0 pro SiO2 hodnota 4.5χ0 tloust’ka SiO2 (typicky 0.1 µm)Vg napetı na elektrodeVT meznı napetı pro vytvorenı potencialove jamy

Vg − VT ≈ 3 V

C0 ≈ 10−13 F→ Qw je v radu milionu elektronu



Prostorove rozlisenı

velikost pixeluprostorove rozlozenı (oblast mezi pixely neprizpıvajıcı k signalu)kvalita zobrazovacı soustavymısto dopadu a velikost svetelneho signalumatematicky popis: funkce prenosu modulace (MTF) a kontrastu(CTF)software korigujıcı doostrenı, kompenzace rozlozenı bodoveudalosti ve vıce pixelech



CC

D0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

MT

F

0 20 40 60 80 100

Čar/mm

10 m20 m

Binning

– zmensenı rozlisenı+ vyssı dynamicky rozsah, rychlejsıodecet, lepsı SNR


Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD

Zpusoby snımanı obrazu CCD

Bodove snımanırozlisenı umerne kroku a rozlisenı detektoru,stejne charakteristiky pro cely obraz, nepresnostv urcenı pozice, jen staticke obrazy

Linearnı snımanıjednodussı pohybovy aparat, velikost a rozlozenıpixelu omezuje rozlisenı v x , skenery,spektrometry, satelity

obraz

x

y

obraz

x

y

Plosne snımanıomezene rozlisenı velikostı pixelu, ruzne charakteristiky pixelu



Architektury plosnych CCD

Metody prenosu naboje mezi jednotlivymi pixelyFF Full-Frame transferFT Frame TransferIL Interline transfer

dalsı Frame Interline transfer, Accordian, Charge Injection,MOS XY adresovanı

FF, FT a IL lze pouzıt i pro linearnı CCD



FF Full-Frame transfermala operacnı i vyrobnı narocnostzaclonenı paralelnıho registru po dobuvycıtanı (mechanicka uzaverka nebosynchronne pulznı osvetlenı), jinakrozmazanı (smearing)

FT Frame transferdva identicke paralelnı registry, jedenzaclonenypo expozici rychly presun (ms) do ukladacısekce, potom pomale vycıtanı zaroven sdalsı expozicı

... ... ... ... ... ... ... ...

...

...

...

...

...

...paralelní registr

sériový registr

para

leln

ítak

tová

ní

sériové taktovánívýstupnízesilovač

... ... ... ... ... ... ... ...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...obrazová část

ukládací sekce

čtecí registr



IL Interline transferkryte ukladacı sloupce mezisvetlocitlivymi pixelypresun naboje v ukladacımsloupci metodou FF zaroven snacıtanım dalsıho snımkueliminace rozmazanı, rychlaelektronicka uzaverkamensı svetlocitliva plocha→matice mikrococek (jen pro kolmeosvetlenı)

... ... ... ... ... ... ... ...

...

...

...

...

...

...obrazová část

ukládací sloupce

čtecí registr



Zpusoby vycıtanı IL CCD

progresivnı vsechny radky matice poporadeprokladany vycıtanı zvlast’ sudych a lichych radku, potreba jen

polovina ukladacıch pixelu, televiznı prenos



Techniky prenosu naboje na cipu CCD

pixel tvorı kontakty (dopovany Si) na polovodici (Si) oddeleneizolantem (SiO2)napetı na kontaktech tvorı potencialove jamy (vyssı napetı) abariery (nizsı napetı)excitovane elektrony jsou zachycovany v potencialovych jamachzmenou napetı prepınanı mezi potencialovou jamou a barierou→pohyb naboje na ciputechniky: ctyrfazova (4Φ), trıfazova (3Φ), pseudo-dvoufazova(P2Φ), prava dvoufazova (T2Φ), virtualnı faze (VΦ)



4Φ – ctyrfazova4 kontakty na pixeldva tvorı jamu, dva barieruob jeden kontakt preklopenınapetıpresun o pixel ve ctyrechkrocıch

3Φ – trıfazova3 kontakty na pixel2+1 strıdave jama a bariera(housenka)mene kontaktu→ vetsıhustota pixelu a rozlisenıslozitejsı casovanı, presun opixel v sesti krocıch



P2Φ – pseudo-dvoufazova4 kontakty na pixel, po dvoustejne napetıob jeden kontakt podsazenmaterial snizujıcı potencial→naklonena jamajednodussı casovanı aleslozitejsı konstrukce

T2Φ – prava dvoufazova1 kontakt na pixelmaterial snizujıcı potencialjen pod castı elektrodyvelka hustota pixelupresun o pixel ve dvou krocıch



VΦ – virtualnı fazepixel tvorı jeden kontakt a mezera (velka hustota)3 ruzne materialy postupne snizujıcı potencialvetsı propustnost svetla (citlivost v UV)presun o pixel ve dvou krocıch zmenou vysokeho napetı(problemy s casovou stalostı)



Konverze naboje na napetı

1 vynulovanı plovoucıho difuznıho senzoru resetovacı elektrodou→referencnı hodnota napetı

2 prenesenı naboje z poslednıho pixelu serioveho registru3 dochazı ke zmene potencialu, po odectenı reference→ signal



Odtokove kanalky Overflow Drain

Pretekanı naboje Blooming

prekrocenı kapacity pixelu vdusledku preexpozice, nejsnaze vesmeru paralelnıho posuvu

VOD vertikalnı obvod pretecenıLOD lateralnı obvod pretecenı

+ moznost elektronicke uzaverky– omezenı kapacity pixelu, zhorsena linearita



Vertikalnı obvod pretecenı

– predpetı na substrat– odvedenı prebytecneho nabojedo hloubky

VO

Lateralnı obvod pretecenı

– OD vedle sloupce pixelu– zmensenı aktivnı plochy

odtok hradlo U



Detekce kratsıch vlnovych delek

tencene cipy osvetlene zezadu (FF a FT, nelze VOD)pokrytı CCD cipu fosforem – pruhledny nad 450 nm, osvetlen UVemituje ve VIS, snızene rozlisenı v dusledku rozptylu

Vysokorychlostnı CCD

rychlost CCD omezena zesilovacem na cipu, zrychlenı→ vetsıenergie→ lokalnı ohrevy, snızenı uniformityresenım je rozdelit cip na vıce bloku s paralelnım vycıtanım→slozitejsı zpracovanıdalsı zrychlenı limitovano casovacem na cipu, sum v dusledkukapacitnıho chovanı CCD



Vady CCD cipu

znecistenı povrchu nebo vady ve strukture (prımesy)Tmave pixely horsı odezva jak 75% prumeruHorke pixely preexponovany v dusledku temneho

proudu (vıc jak 50x)Pasti zachycujı posouvane elektrony, tezko

odhalitelne (az od 200 elektronu)Flat field nehomogennı odezva v ruznych

mıstech cipu



Skladanı expozic Stretching

– softwarove sectenı vıce expozic s kratsı expozicı– kompenzace nedostatecneho dynamickeho rozsahu CCD


Maticove detektory CCD a CMOS Barevne snımanı

Barevne snımanı

Si CCD cipy jsou monochromaticke, zmenu podle vlnove delkynelze odlisit od zmeny v intenzitepouzitı filtru pro zaznam informace o barve (VIS)RGB Red, Green, Blue, nekdy navıc L (Light)

celkova propustnost 1/3CMY Cyan, Magenta, Yellow

celkova propustnost 2/3, M je obtızne vyrobitkompenzace na spektralnı ciltivost oka



Sekvencnı snımanı– vıce expozic pres barevne filtry RGB(LRGB)– potreba delsı cas, mechanicke soucastkya softwarove zpracovanı

3 cipy

– chromaticky hranol rozdelı svetlo nabarevne slozky nebo achromaticky hranol abarevne filtry (zrata 2/3 intenzity)– softwarove zpracovanı– cipy mohou mıt ruzne vlastnosti→zhorsenı vernosti obrazu

.G

B R

obrazbarevné

filtry

CCD

.G

R

B

obrazdělič

svazků

CCDG

CCDR

CCDB



Integrovane filtry na cipu – Bayerova maska

– na pixely pri vyrobe naneseny RGB nebo CMY filtry– zachovanı rozlisenı v jasove slozce, prostorove klesne na 1/4– interpolace barevne informace ze sousednıch pixelu– filtry nelze odstranit, nelze snımat za uzkopasmovymi filtry, nelzezdruzovat pixely



Foveon X3

zaznam barevne informace podle hloubky, ve ktere foton excitujeelektronodecet poctu fotonu v ruznych hloubkachzachovano rozlisenı ale mensı kapacita pixelu


Maticove detektory CCD a CMOS Porovnanı CCD a CMOS

Porovnanı CCD a CMOS

Kvantova ucinnost CCD lepsı pokrytı svetlocitlivou plochouCitlivost CMOS zesılenı prımo na cipuSum CCD u CMOS prispıva elektronika na cipuUniformita za svetla – obe platformy srovnatelneUniformita za tmy CCD u CMOS ruzne zesılenı u pixeluRychlost CMOS zpracovanı na cipu, paralelita

CCDdynamicky rozsah, elektronickauzaverka (IL), zmena rychlosti adynamickeho rozsahu, zdruzovanıpixelu, nelinearnı analogovezpracovanı, moznost pretecenı

CMOSelektronicka uzaverka neuniformnıa uniformnı, windowing, rızenınapetı a casovanı, meneenergeticky narocne, mensı uniky,spolehlive, moznost integrace


Maticove detektory CCD a CMOS Scientific CCD iKon

Scientific CCD iKon (Andor) I

tencena CCD osvetlena zezadutermoelektricke chlazenı (az -100C)maly odecıtacı sum16-bitovy A/D prevodnık s velkym dynamickym rozsahem

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Kva

ntov

áúč

inno

st

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Vlnová délka [nm]

UVBBU2BRDBVFI


Maticove detektory CCD a CMOS Scientific CCD iKon

Scientific CCD iKon (Andor) II

Model DZ436 DZ432 DU937N (FT)Rozlisenı 2048 x 2048 1250 x 1152 512 x 512Velikost pixelu [µm] 13 x 13 22.5 x 22.5 13 x 13Obrazova oblast [mm] 27.6 x 27.6 28.1 x 25.9 6.6 x 6.6Typ senzoru BV, FI BV, FI, UV BV, FI, UV, BU2Kapacita pixelu [e−] 100 000 400 000 100 000Rychlost vycıtanı 1MHz, 500kHz, 66kHz, 31kHz 2.5MHz, 50kHzOdecıtacı sum [e−] 7.5 12 10Temny proud [e−/pixs] 0.0002 0.0005 0.0002


Documents

Detekce svetla