Wykład XI

CCD

1

2

Uran - pierwszy obiekt sfotografowany przy pomocy CCD w r. 1975. (61 – calowy teleskop w górach Santa Catalina w pobliżu Tucson - Arizona). Zdjęcie zrobione zostało przy 0.89m. Ciemny obszar – absorpcja przez chmury metanu w pobliżu bieguna południowego planety.

Obecnie amator z kamerą CCD i 15 cm teleskopem może zebrać tyle samo światła, co w r. 1960 astronom wyposażony w płytkę światłoczułą i 1 m teleskop.

1 Detektor CCD.

aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

3

foton

powierzchnia fotoczuła = piksel

kondensator

Fotony uwalniają elektrony z powierzchni fotoczułej. Kondensatory ładują się ładunkiem proporcjonalnym do ilości padającego światła

CCD, Charge-coupled Device – urządzenie na ładunku związanym

4

Zasada działania CCD5

kroków1.

oświetlić

CCDpasmo przew.

pasmo walenc.Eg

2. wygenerować nośniki

4. przetransportować nośniki 5. wzmocnić

3. zgromadzić nośniki

5

Krok 1 i 2. Efekt fotoelektryczny.

rosn

ąca

ener

gia

pasmo walencyjne

pasmo przewodnictwa

1.12eV

Elektrony generowane termicznie są nierozróżnialne od tych generowanych światłem.Stąd potrzeba chłodzenia CCD.1.12eV odpowiada długości fali 1m. Si jest przezroczysty dla fal dłuższych.

foton

foto

n

dziura elektron

1. Generacja par elektron – dziura dla

2. Rozdzielenie ładunków polem elektrostatycznym

gh E

6

MOSKrok 3. Zgromadzić nośniki

7

Tranzystor polowy MOS

Inwersja

Zubożenie

Akumulacja

8

2DEG w krzemowym MOSFET

S: źródło, D: dren, VG: napięcie bramki (kontroluje koncentrację elektronów)

Struktura pasmowa

2DEG w warstwie inersyjnej

500 Å

Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS > VT

9

Tranzystor MOSFET

ID

zero gdy VGS < VT

VDS

VGS > VT

Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS > VT

10

MOS Akumulacja

~ exp( )V Fp E E~ exp( )F Cn E E

Krok 3. Zgromadzić nośniki

bramka

akumulacja dziur

SiO2

Si typu p

11

MOS Zubożenie

~ exp( )V Fp E E~ exp( )F Cn E E

Krok 3. Zgromadzić nośniki

bramka

Si typu pSi typu p

obszar ładunku przestrzennego

SiO2

12

MOS Inversja

~ exp( )V Fp E E~ exp( )F Cn E E

Krok 3. Zgromadzić nośniki

bramka

Si typu p

warstwa inwersyjna elektronów

SiO2

13

Analog CCD – pomiar intensywności opadów deszczu

Padający deszcz (fotony) zbiera się we wiadrach (piksele) ustawionych na przenośnikach taśmowych (płaszczyzna ogniskowa teleskopu). - Przenośniki są nieruchome, padający deszcz (ekspozycja światła) napełnia wiadra.- Deszcz przestaje padać (migawka kamery zamyka się) i przenośniki taśmowe zostają uruchomione. - Wiadra transportują wodę do zbiornika (wzmacniacz) ustawionego w rogu pola ( róg CCD).

Krok4. Przetransportować nośniki

14

DESZCZ(fotony)

WIADRA (piksele)

WERTYKALNYprzenośnik taśmowy(kolumny CCD)

HORYZONTALNYprzenośnik taśmowy(Rejestrator wyjściowy)

ZBIORNIK(Wzmacniacz wyjściowy)

Analog CCDKrok4. Przetransportować nośniki

15

Deszcz ustał – wiadra zawierają próbki deszczu.

Analog CCD

16

Przenośniki taśmowe zostają uruchomione. Woda z wiader umieszczonych na wertykalnych przenośnikach jest przelewana do wiader znajdujących się na horyzontalnym przenośniku.

Analog CCD

17

Wertykalne przenośniki zatrzymują się. Rozpoczyna się ruch horyzontalnego przenośnika. Woda przelewa się do zbiornika.

Analog CCD

18

`

Analog CCD

19

Analog CCD

20

Analog CCD

21

Analog CCD

22

Analog CCD

23

Analog CCD

24

25

Nowy zestaw pustych wiader jest ustawiany na horyzontalnym przenośniku i proces powtarza się.

Analog CCD

26

Analog CCD

27

Analog CCD

28

Analog CCD

29

Analog CCD

30

Analog CCD

31

Analog CCD

32

Analog CCD

33

Analog CCD

34

Analog CCD

35

Analog CCD

36

Analog CCD

37

Analog CCD

38

Analog CCD

39

Analog CCD

40

Analog CCD

41

Analog CCD

42

Wszystkie wiadra zostały opróżnione. ( CCD zostało odczytane).

Analog CCD

43

Rozważmy CCD złożony z 9 pikseli, rejestratora wyjściowego i wzmacniacza. Każdy piksel jest podzielony na 3 obszary (elektrody wytwarzające odpowiedniąstudnię potencjału). Co trzecia elektroda jest na tym samym potencjale.(a) Podczas oświetlania centralna elektroda (żółte pola) jest na wyższym potencjale niż

pozostałe (zielone pola) – ładunek gromadzi się w studni potencjału.(b) Po ekspozycji świetlnej potencjał elektrod ulega zmianie i ładunki są przenoszone z jednej elektrody na drugą.

do wzmacniacza

rejestratorwyjściowy

Piksel

Elektrody Elektrony

(a) (b)

Krok4. Przetransportować nośniki

44

(a) Poprzez synchroniczną zmianę potencjału elektrod elektrony są przenoszone z

piksela do piksela. Ładunki z prawej są prowadzone do wyjściowego rejestratora.

(b) Horyzontalny transfer ładunków jest wyłączany. Pakiety ładunków z rejestratora wyjściowego są przenoszone wertykalnie, jeden za drugim do wzmacniacza wyjściowego i odczytywane jeden za drugim. Cykl rozpoczyna się ponownie po odczytaniu wszystkich ładunków ( czas odczytu dla dużego CCD – ok. 1 min).

(b)(a)

Si:Be (kanały stopujące, definiujące kolumny obrazu)

Krok4. Przetransportować nośniki

45

Ruch ładunku jest

“związany”

CCD

Krok4. Przetransportować nośniki

46

Ruch ładunku jest

“związany”

Zasada działania CCD

p-Si

p-Si

47

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/CCD_charge_transfer_animation.gif

animacja

48

piny połączeń

złote druciki kontakty

krzemowy chip

Metalowa, ceramiczna lub plastikowa obudowapłaszczyzna obrazowa

Rejestrator wyjściowy

wzmacniacz

Krok4. Przetransportować nośniki

49

Struktura CCD

CCDs są wykonywane na kawałkach krzemu za pomocą techniki fotolitografii.

3 CCD Philipsa na 6 calowym kawałku Si.

Don Groom LBNL

50

Struktura CCD

jeden piksel

kanały stopujące; Si:Be

przezroczyste elektrody

widok z góry

przekrój poprzeczny

Fragment ( kilka pikseli) powierzchni obrazowej CCD.

ElektrodatlenekSi typu nSi typu p

Każda co trzecia elektroda są połączone ze sobą.

51

Struktura CCD

wzmacniacz (na chipie)

Przekrój przez rejestrator

Obszar obrazowy

Rejestrator wyjściowy

52

Krok 5. Wzmocnić.

160m

Edg

e of

Sil

icon

Image Area

Serial Register

Read Out Amplifier

Bu

s w

ires

Mikrofotografia fragmentu CCD

53

Detektor CCD – wydajność kwantowa

54

Detektor CCD – liniowość

55

Detektor CCD

Mozaika 4 CCD (kwadrat 6cm x 6 cm), z których każda zawiera 2040 x 2048 pikseli. Razem ok.16 millionów pikseli (Kitt Peak National Observatory, Arizona).

56

Detekcja kolorów przy pomocy CCD

maska Bayera

Odpowiednie piksele CCD mierzą ilość światła czerwonego, zielonego i niebieskiego padającego na powierzchnięZawsze są dwa zielone piksele, ponieważ oko jest bardziej czułe na ten kolor.