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