dpto. electrÓnica, automÁtica e informÁtica … · conservación de la energía e. 2-e. 1 =h....

OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 1

DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL


Tema 3 – FotodetectoresCaracterísticas de un fotodetector

ResponsividadRespuesta en frecuenciaDetectividadEficiencia cuánticaRuido en los forodetectoresAbsorción de la luz en un semiconductor

Detectores cuánticosDispositivos fotoemisores.Fotodiodos en vacío.Fotomultiplicadores.Detectores fotoconductores Detectores de unión p-nEl fotodetector P-I-N Fotodiodos Schottky.El fotodetector de avalancha El fototransistor

Detectores formadores de imágenesDispositivos CMOSEl dispositivo acoplado por carga (CCD)

Detectores térmicosBolómetrosDetectores pìroelétricos


FOTODETECTORES

OBJETIVO

Exponer los principios fundamentales de funcionamiento, conceptos y técnicas para caracterizar, modelizar y aplicar los Fotodetectores


Requerimientos en fotodetectores

Alta sensibilidad en la longitud de onda de operación

Gran respuesta eléctrica a la señal óptica recibida ⇒alto rendimiento cuántico

Bajo tiempo de respuesta⇒ gran ancho de banda (respuesta temporal corta)

Ruido mínimo

Estable ⇒ independiente de cambios en las condiciones ambientales

Pequeña dimensión (acoplamiento eficaz a la fibra)

Bajo costo

Alta fidelidad ⇒ reproducción exacta de la señal óptica en un amplio margen

Baja tensión de funcionamiento

Fiabilidad


Esquema básico de detección


Esquema básico de detección

Preamplificador provee al circuito siguiente de la señal

adecuada (señal recibida puede ser muy débil)

Ecualización para favorecer frecuencias atenuadas

por el restringido ancho de banda del preamplificador

Control automático de ganancia provee nivel

promedio del señal independiente de la potencia de llegada


Responsividad

Potencia equivalente al ruido

Detectividad específica

Tiempo de respuesta

Eficiencia cuántica

Características de un fotodetector

[ ] [ ] A/W P

IR o V/W PVR

luzluz== λλ

RINEP o

RVNEP NN

λλ

==

( )NEP

fAD2/1

* Δ=

πτ≅=

21

t35,0fR

dB3

gEch

mRR

ech ⋅

≤⋅=⋅⋅

= λμλλ

η λλ donde

)(24,1.


Responsividad

Fotodiodo de Ge

00.10.20.30.40.50.60.70.8

0.5 1 1.5 2Longitud de onda (µm)

Responsividad(A/W)

Fotodiodos comerciales de Si

00.10.20.30.40.50.6

200 400 600 800 10001200Longitud de onda (nm)

A B

Responsividad(A/W)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

800 1000120014001600 1800Longitud de onda (nm)

Responsividad(A/W)

Fotodiodo pin de InGaAs


ResponsividadResponsividad(A/W)

Longitud de onda (nm)Silicio adecuado para ventana de 0.85 μmGe y InGaAs adecuados para 2a y 3a ventanaGe tiene corriente de obscuridad mayor (0.1 μA @ 20°C, 1 μA @ 40°C) comparado con InGaAsP: corriente de obsc. 0.2 nA


Detectividad específicaD*

(mHz1/2W-1)Límite de ruido de fondo (300 K)

λ(µm)


Detectividad específica de Fotodiodos extrínsecos

1011

5

3

2

1010

5

32

2 3 4 5 10 20 30 100

Det

ectiv

idad

cm W

-1H

z1/2

Longitud de onda λ

(μm)


Eficiencia Cuántica en FotodiodosEf

icie

ncia

cuá

ntic

a η

Longitud de onda λ

(μm)

%


Ruido


BERBER = Bit Error Rate = probabilidad de que un ‘1’ esté decodificado

como un ‘0’ y viceversa

Todas las probabilidades de errores de protocolos en niveles

más altos pueden ser deducidos del BER

S/R (Signal to Noise Ratio) está relacionado con el BER pero la

relación es diferente para diferentes tipos de modulación o de receptor

S/R eléctrico igual al doble de SNR óptico

PN : potencia del ruido σi : desviación de corriente a causa del ruido

electelect Nelect N

elect

i

señal

N

opt S/R 21

P

P log 10

21

P

P log 10

I log 10

P

P log 10/ ===== elect

optRSσ

dos transmitibits de Númeroerrores de Número BER =


BER

BER = p(1)Prob(0 /1) + p(0)Prob(1/ 0)p(1): probabilidad a priori que un 1 sea transmitido

Prob(0/1): probabilidad que 0 fue decodificado cuando un 1 está transmitido

p(0) igual a p(1) ⇒ p(0) = p(1) = ½

Si Q≥10; Q= parámetro de calidad ⇒

BER = 10-9 si Q = 6, BER = 10-15 si Q = 8

• Q2 puede ser identificado aproximadamente como SNR de la potencia (ratio señal potencia a ruido de la potencia)

• Para conocer BER, es necesario conocer la corriente promedio y el ruido (ambos dependen de la forma de modulación o del tipo de detector)

π22

2

QeBER

Q−

≈


Llegada de fotones

La llegada de fotones es discreta y no de forma continua a causa del carácter corpuscular de la luz

El número de fotones que llega en un haz de luz de potencia media constante sigue la distribución Poisson

Probabilidad de que N fotones lleguen en un intervalo T (ritmo promedio r fotones/seg):

( ) ( ) rTN erTNP−

=N!


Límite Cuántico por ASK

• Límite cuántico: potencia mínima de luz que debe llegar para obtener un cierto BER

• ASK (Amplitude Shift Keying) (simplificado): no luz durante tiempo T de un bit significativo, bit = 0.

• BER = 10-9 ⇒ rT = 20 (20 fotones cada tiempo de un bit T),• i.e. límite cuántico para BER 10-9=20 fotones• De igual manera: límite cuántico para BER 10-15=34 fotones• Potencia requerida sube cuando bit rate sube (vea gráfico)

rT-rT- e21 e

21 ) (0

210)Prob(1/

21 /1)Prob(0

21 BER =+=+=


Limite Cuántico

BER


Detección de luz generación par electrón-hueco al incidir un fotón

Coeficiente de absorción:

Gap directo Gap indirecto

E

K=0 k

+ ++

- --Fotón

hν

E

ECEg

EV

K=0 k

EC

Eg

EV+ ++

- --

Fotón Fonón

hν

Fl1

=α ( ) ( ) ( ) 21

g 2

23*

r Ehc

m 2 nP)( −νπ

ν=ναh

Absorción de fotones: conservación del momento k2-k1=2π/λ


1-Generación electrón-hueco libre Transición BV-BC directas e indirectasE ≈

Eg α ≈ 103-104 cm-1

2-Generación electrón-hueco libre Transición BV-BC directas e indirectasE >> Eg α ≈ 105-106 cm-1

3- Generación excitón libre Absorción excitónica

4- Electrón- ión aceptor Absorción por electrones asociados a 5- Ión donador – ión aceptor niveles de impurezas α ≤ 103 cm-1

EC

1 2 3 4 5 Eg

EV

Fotón Cambios de energía

Absorción de fotones: conservación de la energía E2-E1=hν


Ge Si GaAs

Gap indirecto Gap indirecto Gap directo

Diagrama de bandasDiagrama de bandas


Frecuencia Longitud de onda Frecuencia Longitud de onda

Visible

Ultravioleta

Infrarrojo

Ultravioleta

Infrarrojo


Energía y longitud de onda del gap para diversos semiconductores

Infrararrojo Visible Ultravioleta

Respuesta relativa del ojo[ ]

[ ]m 24,1 μλλevEE

hc

ggg ==≤

Eg (eV) 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4 3,6

λ(μm) 6,0 3,0 2,0 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,45 0,35

InGaAs CdTe CdS GaN

InSb PbS Ge Si GaAs CdSe GaP SiC ZnS

HgCdTe GaAsP


Longitud de onda (μm)

Energía fotónica (ev)

Coe

ficie

nte

de a

bsor

ción

α(c

m-1

) GaInAsP

InGaAs

VariaciVariacióón del coeficiente de absorcin del coeficiente de absorcióónn


2

1n1nr ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

+−

=

νη

= λ

hqPIP

Coeficiente de reflexiónEficiencia cuántica ext

ηe = (1-r)ηi (1-e-αd)

Fotocorriente

naire =1

n semiconductor

Fotones

hν

d

x x

ΦF incidentes

ΦF refractados

ΦF transmitidos

Rayo Rayoincidente reflejado

Rayo refractado

Reflexión y absorción

Efecto de la reflexión y la absorción en la eficiencia cuántica

ΦF (0) =ΦF (1-r)

ΦF (x) =ΦF (1-r) e-αx

Flujo de fotones refractados

λ

ν⋅=η

Ph

qIP

e


Fotocorriente

Pλ: potencia óptica incidente

r: coeficiente de reflexión en interfaz aire-semiconductor.

Se agrega capa antirreflectante para disminuir r

α: coeficiente de absorción (debe ser alto para una buena conversión de luz a

corriente)

x: distancia que la luz debe recorrer antes de llegar a la región de absorción

d: espesor de la región de absorción

( ) [ ]A e1h

P)r1(qI diP

α−λ −ν

η−=


Absorción para varios semiconductores

Coe

ficie

nte

de a

bsor

ción

α (m

-1)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8

Longitud de onda (μm)

In0.53Ga 0.47As

Ge

Si

In 0.7Ga0.3As 0.64P 0.36

InPGaAs

a-Si:H

12345 0.9 0.8 0.7

1×103

1×104

1×105

1×106

1×107

1×108

Energía fotónica (eV)

1.0


Dispositivos fotónicos

Fotoneshν

Dispositivos fotoemisor

Fotodiodo de vacío


Dispositivos fotoemisores - Fotocátodos

S1 (AgOCs)S11 (SbCsO)S20 (SbNaKCs)


Cátodo Tablilla Rejilla Cátodo Rejilla Ánodo

a) de persiana b) de caja y rejilla

Cátodo

Cátodo

Ánodo Ánodo

c) enfoque líneal d) enfoque jaula circular

Dispositivos fotónicos - Fotomultiplicadores


Dispositivos fotónicos - Fotomultiplicadores

La cadena de resistencias actúa como divisor de tensión y mantiene los dinodos a una tensión mayor que el cátodo.


Dispositivos fotónicos -Fotoconductor

o

V

Fotoneshν

hνElectrodos

Semiconductor

Aislante

L

A Ip

WD

n = n + Δn

Δp = po+ p

ALt

qGIn

p

tt

cLP 1 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

μμτ

1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+==

n

p

tt

c

PL

P

tIIG

μμτ

Fotocorriente

Símbolo

Ganancia fotoconductiva


Célula fotoconductora de CdS


Fotoconductores intrínsecosUltravioletaGaN, SZn

VisibleCdS, CdSe, CdTe 0,5 a 0,7 μm

InfrarrojoInGaAs/InP 1 a 1,6 μmPbS, PbSe, PbTe 1 a 5 μmInSb 7 μm T = 77 KHgCdTe 5 a 14 μm

Fotoconductores extrínsecosGe 10 a 100 μmimpurificado con: Au, Cu, Hg, Cd, B

Materiales fotoconductores


Dispositivos fotónicos. Detector de unión p-n

EC

hν

EV

Región dedeplexión

Fotoneshν

np (x)W

GL τn

np0

pn (x)GL τp

pn0

V R

P n

E x

E

Símbolo


Fotodiodo- Modos de separación de la carga

IS

Modo fotovoltaico

Modo fotoampérico


Fotodiodo- Modos de separación de la carga

Φe

Corriente de oscuridad, IS

iext

I

IVIII

II

VD

Corriente con luz, iP

RL

Φe iext V

Modo fotoconductor


Zona de deplexión: 1 genera corrienteZonas de difusión: 2 aumenta la sensibilidadZonas neutras: 3 no genera corriente

Fotoneshν

Intensidad de campo eléctrico E

IP

Ln W Lp

Respuesta del fotodiodo a la generaciRespuesta del fotodiodo a la generacióón de n de pares electrpares electróónn--huecohueco


Circuito equivalente del fotodiodo.

ip : fotocorrienteD : diodo idealRsh : resistencia a corrientes superficialesCT : capacidad de transiciónRs : resistencia zonas neutras

Modo fotoampérico


Característica del fotodiodoRs iext RL

iP iD ish ic +Vext

D Rsh Cd V- iext

I

IVIII

II

VD

Φe

Corriente de oscuridad, IS

Corriente con luz, iP

RL

Φe iext Vext

PSext iIi −−=

PS

Sext iKT

IRVqIi −⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

= 1)(exp


Responsividad

0 200 400 600 800 1000 12000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Longitud de onda (nm)

Fotodiodo de Si

λ g

Responsividad

(A/W)

Fotodiodo idealQE = 100% (η = 1)

QE: eficiencia cuántica


p+ n n+

Fotoneshν

Fotodiodo p+ n

⏐V⏐>>V0 y NA >>ND

2/1

D

r0n qN

V2x ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ εε=

2/1

2A

Dr0p

qNVN2x ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ εε=


iFotones

hν

Idif

EC

Idif

Iarrastre EV

AbsorciónEr0 (1-r)

E r0 (1-r)e-αx

x

Diodo p-i-n


El material depende de la λ a detectarPara alta velocidad gap directoPara λ grandes Ge u otros compuestos Visión nocturna gap muy extrecho; refrigerar

Elegido el material, hay que:Minimizar la reflexión en la superficieMaximizar la absorción en la zona de carga espacialMinimizar la recombinación de portadoresMinimizar el tiempo de transito

SelecciSeleccióón del material en diodo PINn del material en diodo PIN


Fotodiodos p-i-n de tipo “mesa”Longitud de onda (μm)

Energía fotónica (ev)C

oefic

ient

e de

abs

orci

ón α

(cm

-1)

GaInAsP

InGaAs

InGaAs

λ=1,55μm⇒α=104cm-1

Wi = 2α-1 = 2 μm


Limitación de la velocidad de respuesta

102 103 104 105

Campo eléctrico (V/cm)

108

107

106

105

Vel

ocid

ad d

e de

spla

zam

ient

o (c

m/s

) In0,53 Ga0,47 As InP

GaAs

Si

T=300 K

In0,53 Ga0,47 As

Ge

Ge

Electrones

Huecos

Tiempo de transito

ttt =W/vsat

vsat =μn. E

Alta velocidad

W pequeña


Limitación de la velocidad de respuesta

Rs iext RL

iP iD ish icV

D Rsh CT

Capacidad de transición

WACT

ε=

2RC

2tt

2 t τ+=τ

Constante de tiempo

τRC = RL CT

Tiempo de respuesta

Máxima velocidad de respuesta: RCttt τ=


Ener

gía

del

ele

ctró

n

A

B

D

C

Distancia

ECEg N

EV

1

2

3

P

Fotón

EInyección de portadores

Zona de deplexión

Tiem

po

APD. Multiplicación por avalancha


Coeficiente de ionización

105

104

103

102

101Coe

ficie

nte

de io

niza

ción

(cm

-1)

Ge

αp Siαn αn

Siαp

1 2 3 4 5 6Campo eléctrico (x105 V cm-1)

Factor de multiplicación

iIIM =

m

BRVV

1

1M

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

m=cte, depende del diseño


Fotodiodo de avalancha. SAM APD

EC

EgEV

n+ p π

p+Fotoneshν

Wav W absAvalancha Absorción

x

Campo eléctrico

E


Estructuras SAM APD de Si

(

SiO2Anillo de guarda

ElectrodoCapa antireflectante

nn n+

p+

π

p

SubstratoElectrodo

n+

p+

π

p

SubstratoElectrodo

Ruptura por avalanchaa) (b)

(a) Sin anillos de guarda. (b) Con anillos de guardaEvita las corrientes de fuga en el borde de la unión


Fotodiodo de avalancha. SAM APD

Heterounión

EC

Eg1 p+

EV EC

n+ Eg2EV

hν


Fotodiodo de avalancha. SAGM APDHeterounión

Aplicado en sistemas de comunicación

Fotoneshν

Contactos p

p+ InPn- InP

n- InGaAsn- InGaAsP

p+ InGaAs

Pasivación

n+ InPn+ InP substrato Contactos n

Tiempo de respuesta

100-200ps

SAGM, separate absortion grading and multiplication


Estructura de mesa APD SAGM

P+–InP

Substrate

P+–InP

(2-3 μm) Buffer epitaxial

layerN–InP

(2-3 μm) Multiplication

layer.

Photon

n–In0.53Ga 0.47As (5-10μm) Absorption

layer

Graded n–InGaAsP

(<1 μm)

Electrode

Electrode

Esquema simplificado de una estructura de mesa APD SAGM


Comparación entre APD

Parámetro Símbolo Unidad Si Ge InGaAs

Longitud de onda λ µ

m 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7

Responsividad

R A/W 80-130 3-30 5-20

Ganancia APD M -

100-500 50-200 10-40

Corriente de oscuridad Id

nA

0.1-1 50-500 1-5

Tiempo de subida tr ns

0.1-2 0.5-0.8 0.1-0.5

Ancho de banda Δf

GHz

0.2-1.0 0.4-0.7 1-3


Comparación entre FotodetectoresFotoconductor

Fabricación simple y utilización fácil

Corriente de oscuridad alta⇒ruido térmico

Bajo rendimiento en aplicaciones de comunicación

Fotodiodo PINBuena relación ancho de banda/ sensibilidad

Velocidad de respuesta muy alta

Fotodiodo APDBuena relación ancho de banda/ sensibilidad

Menos rápido que fotodiodo pin y ruidoso

Altos valores de las tensiones de polarización

SAGM-APD mejor rendimiento en los sistemas de comunicación ⇒incompatible con OEIC

Según gráfica el mejor


Materiales para fotodiodos

Silicio

Germanio

InGaAs GaInAsP

HgCdTeInAs ; InSb

Eg =1,1ev Gap indirecto. Visible e infrarrojo

Altas prestaciones en diodo de avalancha en LAN

No puede trabajar en λ=1,3 y 1,55 μm

Eg =1,1ev Gap indirecto. Visible e infrarrojo

Altas prestaciones en diodo de avalancha en LAN

No puede trabajar en λ=1,3 y 1,55 μm

Gap indirecto. Sensor de infrarrojo

Puede trabajar en λ=1,3 y 1,55 μm

Baja sensibilidad y corriente oscura alta

Gap indirecto. Sensor de infrarrojo


Baja sensibilidad y corriente oscura alta

Gap directo crecidos sobre InP


Utilizados en heterouniones

Gap directo crecidos sobre InP


Utilizados en heterouniones

Gap directo, no crecen sobre InP

Trabaja en λ=1,3 y 1,55 μm , visión nocturna e imágenes térmicas.

Alta corriente de oscuridad, necesita enfriamiento

Gap directo, no crecen sobre InP

Trabaja en λ=1,3 y 1,55 μm , visión nocturna e imágenes térmicas.

Alta corriente de oscuridad, necesita enfriamiento


Tipo Fotodiodo Planar Diodo Pin

DiodoAvalan

cha

Unida des

Material Si Ge GaAsP InAS InSb Si Si -

Espectro 0,19- 1,1 0,7-2 0,3-

0,760,5- 4,5

0,5- 5,5 0,3-1,1 0,4-1 μm

Respues ta max

0,56- 0,98 1,5-1,8 0,64-

0,71 3,5 5,3 0,8- 0,96 0,8 μm

Respons ividad

0.3- 0.6 1.0 0.3-

0.4 10 200 0.5-0.6 40-100 A/W

Tiempo de

respuest0.1-1 0.05 0.5-

10 0.5 10 0.002- 0.02

0.3x10-3- 9x10-3 μs

Aplicación

A,B,C D,E E A,B,F C C A,D A,D,F

A – Radiometría en general B – Fotometría C –Células solaresD – comunicaciones E – Sensores en IR F – Sensores en ultravioleta


Fototransistor

hν +VCC

colector

base (no conectada) emisor

V0

RL

Ganancia como el APD , pero más ruido.Tiempo de respuesta muy limitadoBuena sensibilidad.Menor linealidad.Mucha variación con la temperatura


Emisor Base Colector

hν

IE IC

E ICO C

αF IE

VCC IB RL

B

Fototransistor. Energía de bandas y representación de corrientes


Estructuras de un Fototransistor

(a)

Fototransistor

de silicio

(b) Fototransistor

n-p-n hecho con una heterounión

InGaAs/InP


Detector CCD

CCD son las siglas de Charge CoupledDevice (dispositivo de carga acoplada)que hace referencia a una matriz dedetectores como los que hemos descritoCada uno de los elementos fotosensiblesdel sensor se denomina pixel (pictureelement). El número de píxeles delsensor se suele medir en millones depíxeles (o megapíxeles, Mpx)Los píxeles suelen llevar un pequeñofiltro en la parte superior de forma quesólo permite pasar luz del rojo, verde oazul. El color de un pixel se obtiene aposteriori por software mediantealgoritmos de interpolación


CCD

Semiconductor(Silicio dopado ) p

ÓxidoMetal

+ VContactoeléctrico

portadoresminoritarios

Barrera deseparaciónde canales

Barrera deseparaciónde canales

Zona vaciada

Matriz CCD 10×10. Fotodetector.

Elemento Espesor

(μm)Electrodo 1 - 2

Zona de vaciamiento 5Óxido 1 - 2

Semiconductor 50

La base de los dispositivos CCD son los capacitores MOS


+ VFotón

par e

-- h+-

CCD: generación de la señal

La carga acumulada es proporcional al número de fotones incidentes y al tiempo de exposición

Al llegar fotones al condensador, si éste está a potencial positivo, se generan pare e-h que quedan atrapados en un pozo de potencial ya que a los dos lados otros condensadores están colocados a potencial negativo: los fotoelectrones se acumulan en una región definida


CCD Transferencia de cargaUna vez confinados los paquetes de carga hay que transferirlos hasta un sensor para convertir su distribución espacial en una señal eléctrica

sensor de carga

V t( )

I x( )

Q x( )

La transferencia puede ser:• Dos fases• Tres fases• Cuatro fases


CCD de tres fases. Transferencia de carga

1 1 12 2 23 3 3 PUERTASt t= 1

t t= 2

t t= 3

t t= 4

pote

nci a

l

Mal control del potencial de superficie.Problemas con las transferencias


CCD de cuatro fases. Transferencia de carga

1 4 32 1 43 2 1 PUERTASt t= 1

t t= 3

t t= 4

t t= 2

pote

nci a

l

La CCD de cuatro fases presenta los siguientes problemas:Barrera de potencial doble entre paquetes durante todo el procesoEstructura solapada entre puertas, no hay espacio entre puertas


CCD de dos fases. Transferencia de carga


Inconvenientes y ventajas de los CCD

VENTAJAS INCONVENIENTES

Alto grado de integración Problemas asociados al rango dinámico.

Gran sensibilidad Saturación, Blooming (emborronado)

Linealidad Posibilidad de Crosstalk(un fotón puede provocar un par

e-h en una zona no deseada)Robustez

Alta eficiencia en la transferencia de carga Corriente de oscuridad ( se puede solucionar

enfriando el dispositivo)Salida fácilmente adaptable a formatos estándar


CCD Arquitectura

Sensor de imagen líneal

La imagen se saca muy poco a poco (cada ciclo de reloj llevauna línea hacia abajo y luego hay que extraer la línea completa). Para hacerlo más rápido hay dos soluciones:


CCD Arquitectura

Δx

Δyφ1

φ2

φ3

Barreras aislantes

Sección de formación de imagen

Sección de almacenamiento de cargaZona ópticamente aislada

salida

Registro de lectura de salida

Matriz detección

Sensor de imagen superficial: CCD de transferencia de imagen

Toda la matriz se descarga de una vez a una matriz igual


CCD de transferencia de imagen (frame transfer)

Principio de funcionamiento


Línea par

Línea impar

Puertas de transferencia Registros de transferenciaópticamente aisladosΔx

Δy

salida

Registro de lectura de salida

Matriz detección

Sensor de imagen superficial: CCD de transferencia interlineal

CCD Arquitectura

Es la más rápida, pues en un único ciclo de reloj setransfiere toda la matriz. La desventaja es que no puede tener tanta resolución pues se necesita espacio para las máscaras entrelíneas


CCD de transferencia interlineal (interline transfer)

Principio de funcionamiento


Comparación entre la transferencia de imagen y la transferencia interlineal

Transferencia de imagen Transferencia interlineal

Tiempo deintegración

20 μs CCIR16.7 μs NTSC

40 μs CCIR100 μs NTSC

Tiempo detransferencia 300-500 μs 1-3 μs

Factor dellenado 100 % 20-40 %

#pixels 500x500 – 2000x2000

Respuesta afrecuenciasespacialeselevadas

MALA BUENA

Aliasing,Moire POCO MUY RESALTADO

500x500 – 4000x4000


CMOS Arquitectura


CMOS Arquitectura

CMOS-XY. Principio de funcionamiento


CCD con filtros de color

Los captadores son los mismos que para una imagen en blanco y negro pero se añade un filtro en la zona donde llega la luz.

Un filtro verde, un azul y un rojo dejan pasar cada uno una única longitud de onda que corresponde a su color. La cantidad de píxeles verdes es doble debido a la sensibilidad del ojo humano

Filtro de Bayer


CCD con filtros de color

Aliasing

Filtro paso bajo (o anti-aliasing)


CCD de color con tres CCDs


Imagen entrelazada Lectura progresiva (progresive scan)

Ahora la imagen esta más nítida

Lectura progresiva (progresive scan)

Imagen entrelazada


Aplicaciones de los dispositivos CCDCámaras digitales (foto, vídeo y vídeo profesional (3 CCDs))

Cámaras de IR (cooled CCDs)

Fototometría, sensores, espectroscopía en el UV

Fotografía astrofísica (técnicas de tracking y alta velocidad)

Escáner-fax-fotocopiadoras (CCD’s lineales)

Registro de imágenes de patrones de franjas

Caracterización de haces Láser

Registro de imágenes de fuentes muy débiles

Registro de imágenes de rayos X

ΔV= 10kV

Detector CCD

Cátodo fotoemisivo

e-


Detectores termoeléctricos

Bolómetro en un puente de Wheatstone

Circuito de polarización del bolómetro


Ejemplo 1

Sobre un fotodiodo pin de silicio con una región intrínseca de anchura 10 μm, incide la luz de un laser de GaAs con energía de 1,43 eV. La potencia óptica por superficie es de 1 W/cm2. Calcular la densidad de fotocorriente en el detector, suponiendo que no hay perdidas por reflexión.

Solución

El flujo de fotones incidentes por superficie sobre el detector es

El coeficiente de absorción para el Si para una energía de 1,43 eV es ≈

700x102 cm-1

J =q(NP /A) [1-exp-(αW)]=1,6 10-19x4,37 10-18 [1-exp-(700 102x1010-4)]=0,352A/cm2

12-1819 cm 1037,4

106,143,11 −

− === sxxxh

AP

ANP

ν


Ejemplo2Considérese un fotodiodo de avalancha típico con los parámetros siguientes:

Potencia óptica incidente P=50 mW Eficiencia cuántica η=90%

Frecuencia óptica ν=4,5 10 14 Hz Voltaje de ruptura VBR =35 V

Voltaje del diodo V=34 V Corriente de oscuridad IS =10nA

Parámetro m para la multiplicación 2

Calcular: a) el factor de multiplicación, b)el flujo de fotones y c) la fotocorriente

Solución

a) El factor de multiplicación

b) El flujo de fotones

c) La fotocorriente no multiplicada

IL =ηqNP =0,9x1,6x10-19x1,68x1017 = 24,16 mA

Como IS <<IL , la corriente multiplicada ITOTAL es

ITOTAL =M IL = 16,67x24,16=0,4A

67,1635341

VV1M

121m

BR=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−

1171434

3

1068,1105,41095,6

1050 −−

−

=== sxxxx

xhPN p ν

dpto. electrÓnica, automÁtica e informÁtica … · conservación de la energía e. 2-e. 1 =h....

Documents