Detekce svetla

Detekce světla
Ondřej Haderka
Antonı́n Černoch
Regionálnı́ Centrum Pokročilých Technologiı́ a Materiálů
Společná Laboratoř Optiky UP a FZÚ AV ČR
CZ.1.07/2.3.00/09.0042
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
1 / 168
Obsah I
1
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Zákony vyzařovánı́
Polovodiče
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
2
Zdroje světla
Rozdělenı́ zdrojů světla
Elektromagnetické spektrum
Lasery
Elektroluminiscence v polovodičı́ch
3
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Rozdělenı́
Lidské oko
Fotografie
4
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
2 / 168
Obsah II
Fotoodpory
Fotodiody
Šum fotodetektorů
5
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Užitı́ fotonásobičů
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Konstrukce fotonásobičů
6
Maticové detektory CCD a CMOS
Úvod
Proces detekce
Vlastnosti CCD
Snı́mánı́ obrazu CCD
Barevné snı́mánı́
Porovnánı́ CCD a CMOS
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
3 / 168
Obsah III
Scientific CCD iKon
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
4 / 168
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 the
Submilimeter, Cambridge University Press, Cambridge, 2003
R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Feynmanovy přednášky
z fyziky s řešenými přı́klady Fragment, Praha, 2007
Hamamatsu Photonics K. K., Photomultiplier tubes, third edition
Hamamatsu Photonics K. K., 2006
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
5 / 168
Úvod
Obsah
1
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Zákony vyzařovánı́
Polovodiče
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
2
Zdroje světla
3
Rozdělenı́ typů detektorů světla
4
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
5
Vnějšı́ fotoelektrický jev
6
Maticové detektory CCD a CMOS
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
6 / 168
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Energetické charakteristiky elektromagnetického zářenı́
Radiometrie absolutnı́, v jednotkách SI
Fotometrie relativnı́ vzhledem k citlivosti lidského oka popř. jiného
receptoru, ve vedlejšı́ch jednotkách
Zdroj zářenı́
Radiant source
Světelný zdroj
Light source
objekt, který na základě různých fyzikálnı́ch principů emituje
elektromagnetické zářenı́
Bodový zdroj plošnou velikost lze zanedbat vzhledem k vzdálenostem
Plošný zdroj plošnou velikost nelze zanedbat
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
7 / 168
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Veličiny I
Spektrálnı́ závislost veličin na frekvenci ν
resp. vlnové délce λ
přeintegrovánı́ přes celé spektrum →
spektrálně nezávislé veličiny
Zářivá energie – Q [J=m2 kg/s2 ]
Radiant energy
– energie vyslaná, přenesená nebo přijatá
Světelné množstvı́ – Qv [lm s]
Quantity of light
Example (Energie jednoho fotonu)
E = hν = hc
h = 6.626 · 10−34 Js; c = 2.998 · 108 m/s
λ,
⇒ E555 nm = 3.58 · 10−19 J = 2.2 eV
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
8 / 168
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Veličiny II
Hustota zářivé energie – w [J/m3 ]
Radiant energy density
– množstvı́ zářivé energie v jednotkovém objemu
Zářivý tok – Φ =
dQ
dt
[W]
Radiant power
– výkon (energie za čas) vyslaný, přenesený nebo přijatý
v
Světelný tok – Φv = dQ
Luminous flux
dt [lm]
1 W = 683 lm pro λ = 555 nm (maximum zrakového vjemu)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
9 / 168
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Veličiny III
Intenzita vyzařovánı́ – M =
dΦ
dS
[W/m2 ]
Radiant excitance
– zářivý tok emitovaný z jednotkové plochy zdroje
2
v
Světlenı́ – Mv = dΦ
Luminous excitance
dS [lm/m ]
Zářivost – I =
dΦ
dω
[W/ster]
Radiant intensity
– zářivý tok emitovaný do jednotkového prostorového úhlu
v
Luminous intensity
Svı́tivost – Iv = dΦ
dω [cd = lm/ster]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
10 / 168
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Veličiny IV
pozorovatel
Zář – L =
I
dS cos θ
[W/ster·m2 ]
Radiance
– zářivost jednotkového povrchu viděného pod
úhlem θ
2
v
Jas – Lv = dS Icos
θ [nit = cd/m ] Luminance
s
dS co
dS
Example (Zdroje jasu v nitech)
Slunce v zenitu
modrá obloha
zamračená obloha
Měsı́c
nočnı́ obloha
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
1.6 · 109
8 000
40
2 500
5 · 10−5
plamen svı́čky
rubı́nový laser
atomová bomba
hvězda Sirius
Detekce světla
5 000
1018
1012
1.5 · 1010
11 / 168
Úvod
Radiometrické (fotometrické) veličiny
Veličiny V
Intenzita ozářenı́ – E =
dΦ
dS ,
[W/m2 ]
Irradiance
– množstvı́ zářivého toku dopadajı́cı́ho na jednotkovou plochu
2
v
Illuminance
Osvětlenı́ – Ev = dΦ
dS , [lx = lm/m ]
Example (Zdroje osvětlenı́ v luxech)
Slunce v zenitu
poledne ve stı́nu
zamračená obloha
Expozice – H =
Rt
0
100 000
10 000
100 až 1 000
Měsı́c v úplňku
bezměsı́čná noc
tmavá noc
E(t)dt, [J/m2 ]
0.2
0.001
0.0001
Radiance exposure
– ozářenı́ jednotkov
é plochy za daný časový interval
Rt
Osvit – Hv = 0 Ev (t)dt, [lx·s]
Light exposure
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
12 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
Pojmy
Lambertovský (kosinový) zářič
zářivost je konstantnı́ pro všechny úhly pohledu, M = π · L,
Φ = 4πR 2 M = 4π 2 R 2 L
Absolutně černé těleso
absorbuje veškeré dopadajı́cı́ elektromagnetické zářenı́, vyzařuje na
různých vlnových délkách podle teploty
šedé těleso, selektivnı́ zářič
Kirchhofův zákon
na jisté vlnové délce je absorbce i emise tělesa stejná
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
13 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
Historický vývoj
Stefanův-Boltzmanův zákon vyzařovánı́ – M = σT 4
1879, σ = 5.67 · 10−8 W/(m2 K4 ), odvozen empiricky, později teoreticky
podložen zákony termodynamiky, bezkontaktnı́ určenı́ efektivnı́ teploty
tělesa
Wienův posunovacı́ zákon – λmax [µm] = 2898/T
1893, vlnová délka maxima vyzařovacı́ křivky, pyrometry k určenı́ tzv.
barevné teploty světla
Rayleighův-Jeansův zákon – Mλ =
2π 3 ckT
λ4
1900, Boltzmannova konst. k = 1.380662 · 10−23 J/K, ultrafialová
katastrofa
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
14 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
Spektrálnı́ intenzita vyzařovánı́ černého tělesa
Planckův zákon
1900, kvanta elektromagnetického pole hν
Rayleigh-Jeans
Planck
max
Mν =
2πhν 3
hν
c 2 e kT − 1
-1
-2
2πhc 2
hc
λ5 e λkT − 1
M [MW m
Mλ =
m ]
60
T = 5 500 K
40
20
T
4
0
1
2
3
4
5
Vlnová délka [ m]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
15 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
Geometrie
plocha zdroje
poloúhel zorného pole
optické soustavy
S
Sz
detektor
prostorový úhel
plocha zdroje
v zorném poli
Sa
plocha
optické
soustavy
d
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
16 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
Spektrálnı́ propustnost
Propustnost
TP prostředı́
TO optické soustavy
TF filtrů
100
Optický výkon na detektoru:
90
úzká oblast spektra ∆λ okolo λ0
Propustnost [%]
80
Sz Sa TP (λ)TO (λ)TF (λ)Lλ (λ)
P(λ) =
d2
70
60
50
40
30
20
P≈
Sz Sa TP (λ0 )TO (λ0 )TF (λ0 )Lλ (λ0 )∆λ
d2
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
10
0
650
700
750
800
850
900
950
1000 1050 1100
Vlnova delka [nm]
17 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
Example (Žárovka)
Vypočtěte optický výkon Pd dopadajı́cı́ na kruhovou plochu r = 2 mm
(zornice oka) vzdálenou d = 1 m od světelného zdroje o zářivém toku
Φ = 2 W (100 W žárovka).
Předpoklad: Zdroj je Lambertovský zářič, tedy Φ = 4πI.
Řešenı́
I=
Φ
4π ,
S = πr 2 ,
Výsledek: Pd =
Ω=
S
d2
2·4·10−6
4·1
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
⇒
Pd = ΩI =
Φr 2
4d 2
W = 2 µW.
Detekce světla
18 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
Example (Černé těleso)
Kulové černé těleso poloměru R = 1 m a teploty T = 1000 K je
sledováno detektorem ze vzdálenosti d = 1000 m.
Detekčnı́ systém vstupnı́ apertura o poloměru 5 cm
poloúhel zorného pole ζ = 0.1◦
účinnost optického systému TO = 50%
λ0 = 1µm s šı́řkou pásma 1% (∆λ = 10−8 m)
Vypočtěte
1
2
3
4
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
zář Lλ a Lν v rovině detektoru
energii dopadajı́cı́ na detektor
počet fotonů dopadajı́cı́ch na detektor za
sekundu
Co se změnı́, jestliže bude černé těleso mı́t
poloměr 10 m mı́sto 1 m?
Detekce světla
19 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
1. Zář Lλ a Lν v rovině detektoru
Lλ (λ) =
2hc 2
hc
λ5 e λkT − 1
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Lν (ν) =
2hν 3
hν
2
kT
c e −1
c = 2.998 · 108 m/s
h = 6.626 · 10−34 Js
k = 1.381 · 10−23 J/K
λ = 10−6 m,
ν = c/λ = 2.998 · 1014 Hz
Lλ = 6.74 · 107
,
W
m3 ster
, Lν = 2.25 · 10−13
Detekce světla
W
m2 ster
· Hz
20 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
2. Energie dopadajı́cı́ na detektor
Sa =
Ω=
S=
Sz =
P = Sz ΩTO Lλ ∆λ
= Sz ΩTO Lν ∆ν
TO = 0.5
∆λ = 10−8 m
∆ν = 2.998 · 1012 Hz
S < Sz ⇒ S
πr 2
Sa /d 2
πR 2
πd 2 tan2 ζ
= 7.85 · 10−3 m2
= 7.85 · 10−9 ster
= 3.14 m2
= 9.57 m2
plocha zdroje
poloúhel zorného pole
optické soustavy
S
Sz
detektor
prostorový úhel
plocha zdroje
v zorném poli
P = 8.32 · 10−9 W
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Sa
plocha
optické
soustavy
d
Detekce světla
21 / 168
Úvod
Zákony vyzařovánı́
3. Počet fotonů dopadajı́cı́ch na detektor za sekundu
Efotonu =
hc
= hν E1µm = 1.99 · 10−19 J
λ
→ 4.19 · 1011 fotonů/s
4. Černé těleso poloměru 10 m
S = 314 m2 , Sz = 9.57 m2 , Sz < S ⇒ Sz
L se nezměnı́
P = 2.53 · 10−8 W
1.28 · 1012 fotonů/s
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
22 / 168
Úvod
Polovodiče
Vlastnosti polovodičů
mezičlánek mezi vodiči a izolanty
energetické hladiny atomu určujı́ hladiny materiálu
energetické hladiny združeny do pásů – vodivostnı́ a valenčnı́,
mezi nimi pás zakázaných energiı́ s šı́řkou Eg
Pauliho vylučovacı́ princip
nosiče náboje – elektron ve vodivostnı́m pásu, dı́ra (absence
elektronu) ve valenčnı́m pásu
excitace elektron-děrového páru vnějšı́m zdrojem (např. dopad
fotonu hν > Eg ), rekombinace → vyzářenı́ fotonu
v termálnı́ rovnováze izolant, tepelné excitace, vodivost vzrůstá s
počtem excitovaných nosičů
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
23 / 168
Úvod
Polovodiče
Přı́mý a nepřı́mý přechod
Přı́mý excitace a rekombinace bez změny hybnosti hk → vhodný
materiál pro zdroje zářenı́
Nepřı́mý u rekombinace nutná změna hybnosti → detektory
a) Přímý přechod
E
b) Nepřímý přechod
E
Relaxace
E2
Ec
Eg
Ev
E1
h
h
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
k
Detekce světla
k
24 / 168
Úvod
Polovodiče
Polovodičové slitiny
II
2
5
III
IV
V
VI
5
6
7
8
B
C
N
O
13
14
15
16
Al
Si
P
S
31
32
33
34
Zn Ga Ge
As
Se
12
3 Mg
4
IV skupina, nejčastěji Si a Ge, nepřı́mý přechod
III+V, např. GaN (malá Eg → detekce v IČ)
2xIII+V nebo III+2xV, laděnı́ mřı́žkové konstanty
2xIII+2xV, vı́ce stupňů volnosti
30
48
49
50
51
52
Cd
In
Sn
Sb
Te
80
6 Hg
82
Pb
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Plyn
Kapalina
g
10 5
2
1.5
[ m]
1 0.9 0.8 0.7
0.6
0.5
InSb
6.4
Mřížková konstanta [A]
Elementárnı́
Binárnı́
Ternárnı́
Kvaternárnı́
6.2
6.0
AlSb
GaSb
InAs
InP
5.8
5.6
AlAs
Ge
GaAs
AlP
Si
GaP
5.4
0.0
Pevná látka
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Šířka zakázaného pásu Eg [eV]
Detekce světla
25 / 168
Úvod
Polovodiče
Dopanty
Polovodiče z IV skupiny – 4 valenčnı́ elektrony, které zdı́lı́ se sousedy v
mřı́žce – plná valenčnı́ slupka → žádné volné nosiče
Dopant malá přı́měs atomů polovodiče ze skupin III nebo V do
polovodiče ze skupiny IV
Donor přı́měs z V, přebytek volných elektronů, n-typ
Akceptor přı́měs z III, přebytek volných děr, p-typ
Intrinsický polovodič bez přı́měsı́
Extrinsický polovodič s přı́měsemi
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
26 / 168
Úvod
Polovodiče
Ochuzená vrstva
p
injekce minoritnı́ch nosičů (−
na p-typ) – závěrné napětı́,
malý ustálený proud
Koncentrace
nosičů
injekce majoritnı́ch nosičů (+
na p-typ) – i ≈ exp(V )
Energie elektronu
p-n dioda usměrňuje elektrický
proud
. . . .
...........................
- ++
-+
-
n
....................... E
. .eV . .
f
0
p(x)
n(x)
x
p-i-n dioda – širšı́ ochuzená oblast
heteropřechod – např. p-p-n, skoky v potenciálnı́ energii – bariéry
nebo jámy (nárazová ionizace)
materiál s velkou Eg – transparentnı́ pro světlo (okénko)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
27 / 168
Úvod
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
Kvantová účinnost η
Quantum efficiency
Pravděpodobnost, že jeden foton dá vzniknout nosiči náboje, který
přispěje k proudu v detektoru.
η = (1 − R)ξ(1 − e−αd ), 0 ≤ η ≤ 1
g
50
Absorpční koeficient [1/cm]
10
Fotonový tok
Fotocitlivá
oblast
Odražený
(1-R)
Dopadající
1/
p
0
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
1
0.5
0.2
2
5
6
10
Fonony
Volné nosiče
Mezipásové přechody
5
4
10
GaAs
Si
3
10
2
10
10
1
Prošlý
d
[ m]
10
x
Detekce světla
0.02
0.1 0.2
0.5
1
Energie [eV]
28 / 168
Úvod
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
η = (1 − R)ξ(1 − e−αd ), 0 ≤ η ≤ 1
R odraz na vstupnı́m rozhranı́, antireflexnı́ vrstvy, čisté materiály,
dobrý povrch → malá rekombinace
pro kolmý dopad světla ze vzduchu
R=
(n − 1)2 + (α(λ)λ/4π)2
(n + 1)2 + (α(λ)λ/4π)2
ξ podı́l nosičů, které přispı́vajı́ k proudu detektorem
d tloušt’ka materiálu, rezonátor
Spektrálnı́ závislost η(λ) – dlouhovlnný limit λc = hc/Eg
Example (Křemı́k Si)
λ = 830 nm, d = 20 µm, n = 3.5, α(830 nm) = 1000 /cm.
η ≈ (1 − 0.309)ξ(1 − 0.135) ≈ 0.6ξ
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
29 / 168
Úvod
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
Absorbčnı́ koeficienty různých materiálů
g
Absorpční koeficient [1/cm]
10
10
3
1.5
1.0
0.8 0.7
0.4
0.3
Si
4
10
10
0.5
5
InSb
10
[ m]
0.6
InP
3
2
InAs Ge
GaAs
GaP
GaN
10
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Energie [eV]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
30 / 168
Úvod
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
Citlivost S (R)
Responsivity
Poměr elektrického proudu v obvodu detektoru ip ku intenzitě
dopadajı́cı́ho světla P.
1.0
p-i-n
Schotky
0.7
Citlivost [A/W]
ηeP
= SP
ip = ηeΦ =
hν
InGaAs/InP
Ge
Si
Au-InGaAs
0.5
0.4
SiC
0.3
GaAs
0.2
Ag-ZnS
S=
λ0 [µm]
ηe
=η
[A/W]
hν
1.24
0.1
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]
Pro velká λ pokles S kvůli η(λ), pro velká P – saturace
λ0
Detektory s vnitřnı́m ziskem G = qe → S = Gηe
hν = Gη 1.24
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
31 / 168
Úvod
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
Doba odezvy
Response time
Minimálnı́ časový interval, po kterém detektor zaznamená změnu v
dopadajı́cı́ intenzitě.
Rozšı́řenı́ doby průchodu TTS
(Transition Time Spread)
Driftová rychlost – urychlovánı́ el. polem × nárazy v atomové
mřı́žce
v = τcol a = τcol eE/m = µE
a zrychlenı́ a = eE/m
m efektivnı́ hmotnost elektronu resp. dı́ry
τcol střednı́ doba mezi dvěmi kolizemi
µ pohyblivost elektronu resp. dı́ry
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
32 / 168
Úvod
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
Ramoův vztah – i(t) = −Qv (t)/w, v polovodičı́ch ve > vh
Přenos náboje 1e: q = e vwh vxh + e vwe w−x
ve = e
RC konstanta – prodloženı́ doby odezvy, odpor R a kapacitance C
obvodu detektoru, τRC = RC
a)
t
b)
t
x/vh
c)
i(t)
Ne(ve+vh)/w
ih(t)
(w-x)/ve
(Neve)/w
ie(t)
Díra
0
Elektron
x
w
x
evh eve
w w
i
(Nevh)/w
vh
+
ve
V
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
0
i(t)
Detekce světla
w/ve
w/vh
t
33 / 168
Úvod
Základnı́ obecné vlastnosti detektoru
Výběr vhodného detektoru
SNR Poměr signálu k šumu (Signal to noise ratio),
oscilace výstupnı́ho signálu (ideálně jen statistické
fluktuace vstupnı́ch fotonů)
Linearita (Linearity), odchylka od lineárnı́ závislosti mezi
vstupem a výstupem
Dynamický rozsah (Dynamical range), též spektrálnı́ šı́řka pásma,
poměr mezi minimálnı́ a maximálnı́ intenzitou
signálu, kterou lze změřit beze ztráty informace
Spektrálnı́ odezva (Spectral response), závislost na vlnové délce
dopadajı́cı́ho zářenı́
Šı́řka pásma (Spectral range) rozsah vlnových délek, pro které
má detektor nenulovou citlivost, maximum citlivosti
pro λp
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
34 / 168
Zdroje světla
Obsah
1
Úvod
2
Zdroje světla
Rozdělenı́ zdrojů světla
Elektromagnetické spektrum
Lasery
Elektroluminiscence v polovodičı́ch
3
Rozdělenı́ typů detektorů světla
4
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
5
Vnějšı́ fotoelektrický jev
6
Maticové detektory CCD a CMOS
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
35 / 168
Zdroje světla
Rozdělenı́ zdrojů světla
Rozdělenı́ zdrojů světla
Teplotnı́
Výbojové
Luminiscenčnı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
žhavené plamenem
žhavené elektricky (žárovky, oblouková lampa)
v kladném světelném sloupci (výbojky Hg, Ne, Xe)
v záporném světle doutnavém (doutnavky)
pevné látky buzené zářenı́m plynů (zářivky,
flourescenčnı́ výbojky)
pevné látky buzené radioaktivnı́m zářenı́m
elektroluminiscence
kvantové generátory světla (lasery)
Detekce světla
36 / 168
Zdroje světla
Elektromagnetické spektrum
Oblasti elektromagnetického spektra I
Rádiová km-0.1 m, antény, TV, rádio, mobily
Mikrovlnná 100-1 mm, magnetron nebo diody, molekuly s dipólovým
momentem, mikrovlnka, Wi-fi, radar
Infračervená
vzdálená IČ – 1000-10 µm, rotačnı́ módy molekul a
fonony
střednı́ IČ –10-2.5 µm, tepelné zářenı́
blı́zká IČ – 2.5-0.75 µm, podoně jako VIS
Viditelná (VIS) 750-380 nm, maximum zářenı́ hvězd, energetická
vzdálenost elektronových hladin atomů
Ultrafialová (UV) 380-10 nm, ionizujı́cı́ zářenı́, sterilizace
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
37 / 168
Zdroje světla
Elektromagnetické spektrum
Oblasti elektromagnetického spektra II
Rentgenová (X) 10-0.1 nm, neutrinové hvězdy a akreačnı́ disky
černých děr, procházı́ předměty
Gama (γ) menšı́ jak 0.1 nm, vytvářı́ radioizotopy
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
38 / 168
Zdroje světla
Elektromagnetické spektrum
Informačnı́ okna
Volný prostor
Rádiové vlny – odraz od atmosféry, ohyb, rušenı́ atmosférickými
jevy
Blı́zká infračervená oblast
Optická vlákna
křemı́ková vlákna – 830 nm, 1300 nm, 1550 nm
flouridová a chalkogennı́ skla – širokospektrálnı́, 0.01 dB/km
multiplexace – vzdálenost spektrálnı́ch kanálů 20 nm
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
39 / 168
Zdroje světla
Lasery
Pevnolátkové lasery
Výhody
Nevýhody
výkon/přı́kon, výkonné, životnost,
menšı́ udržba
3+
Nd :YVO4
kvalita svazku, rožštěpenı́ → širšı́
emisnı́ čára
3+
Ti :Al2O3
1.5
1.0
2
0.5
1
0.0
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
0
0.0
Detekce světla
3
2
700 - 1050 nm
2.0
Energie [eV]
914 nm
1340 nm
nezářivý
přechod
4
3
čerpání v zelené oblasti spektra
0.5
čerpání LED @ 808 nm
Energie [eV]
1.0
1064 nm
nezářivý
přechod
1.5
1
0
40 / 168
Zdroje světla
Plynové lasery
Disperzní
hranol
úzké čáry podle
vzdálenosti hladin
aktivnı́ho plynu
Lasery
Etalon
Brewstrova okénka
Kr
+
Kruhová
clona
Laserová
trubice
Výstupní
zrcadlo
Rovinné
zrcadlo
zisk
c/2d1
módy etalonu
ztráty
módy rezonátoru
c/2d
0
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
41 / 168
Zdroje světla
Elektroluminiscence v polovodičı́ch
Princip elektroluminiscence
E
elektron-děrová rekombinace
E2
injekce minoritnı́ch nosičů do p-n
přechodu
Ec
Eg
dlouhovlnný limit λG = hc/EG
Ev
E1
internı́ a externı́ η
h
k
Materiály
kombinace prvků z III a V skupiny s přı́mým přechodem
GaAs (λG = 873 nm), AlInGaN (250-366 nm),
AlInGaP (600-650 nm), InGaAsP (549-3440 nm)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
42 / 168
Šı́řka zakázaného pásu
polovodičových materiálů
Vlnová délka
polovodičových laserů
Zdroje světla
Elektroluminiscence v polovodičı́ch
Polovodičové zdroje
LED
Light emitting diodes
slabé čerpánı́, jen spontánnı́ emise, bı́lé LED – kombinace LED
svı́tı́cı́ch červěně, zeleně a modře
SLD
Superluminiscent diodes
silné čerpánı́, laserovánı́ zabráněno antireflexemi, zdroj
nekoherentnı́ho zářenı́
LD
Laser diodes
silné čerpánı́, podpora stimulované emise rezonátorem (stěny
polovodiče)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
44 / 168
Zdroje světla
Elektroluminiscence v polovodičı́ch
Porovnánı́ spekra LED a laserové diody
Normovaná intenzita
1.0
LED
LD
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
770
814
780
816
790
818
800
810
820
830
840
850
860
870
880
890
900
910
Vlnová délka [nm]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
45 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Obsah
1
Úvod
2
Zdroje světla
3
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Rozdělenı́
Lidské oko
Fotografie
4
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
5
Vnějšı́ fotoelektrický jev
6
Maticové detektory CCD a CMOS
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
46 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Rozdělenı́
Fotonové detektory
reakce přı́mo na jednotlivé fotony → excitace nosiče náboje →
chemická reakce nebo změna elektrického proudu nebo jen znásobenı́
počtu nosičů náboje
Fotoefekt
fotony excitujı́ nosiče náboje → změna vodivosti materiálu
Vnitřnı́ v polovodiči, excitace elektron-děrového páru, nosiče náboje
zůstavajı́ v materiálu, hν > Eg
Vnějšı́ fotoelektronová emise, elektron energiı́ fotonu vytržen do
volného prostoru, hν > W popř. hν > Eg + χ
NEA – negativnı́ elektronová afinita (χ < 0)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
47 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Rozdělenı́
Vnějšı́ a vnitřnı́ fotoefekt I
a)
- Volný elektron
Nejbližší vyšší pás
Vakuum
b)
W
- Volný elektron
c)
Vakuum
Vodivostní pás -
W
h
Fermiho h
hladina
Vodivostní pás kovu
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
h
Eg
+
+
Valenční pás polovodiče
48 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Rozdělenı́
Vnějšı́ a vnitřnı́ fotoefekt II
Vnějšı́ fotoefekt
Fotonka
Fotonásobič sekundárnı́ emise, zesı́lenı́ až 107
MCP mikrokanálkový zesilovač, prostorové rozlišenı́
Vnitřnı́ fotoefekt
Fotoodpor změna vodivosti materiálu s intenzitou dopadajı́cı́ho zářenı́
Fotodioda excitace elektron-děrových párů v ochuzené oblasti p-n
přechodu
APD lavinová fotodioda, urychlovacı́ napětı́ → excitace dalšı́ch
nosičů nárazovou ionizacı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
49 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Rozdělenı́
Ostatnı́ typy detektorů
Termálnı́ detektory
absorbce fotonů → změna teploty → změna vlastnostı́ materiálu
(většinou elektrických)
pomalá odezva (10−3 s)
bolometry a spol.
Koherentnı́ detektory
reakce na změnu velikosti elektrického pole signálu, možnost
určenı́ fáze dopadajı́cı́ch fotonů
IČ po rádio
homodynnı́ detekce
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
50 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Lidské oko
Lidské oko
Viditelná oblast
– 400-700 nm (VIS)
– 100-315 nm se absorbuje v
rohovce a komorové vodě
– blı́zká IČ do 1400 nm projde na
sı́tnici (možné poškozenı́)
– delšı́ λ asborbovány v rohovce
Proces detekce
dopad fotonu excituje elektron v
barvivu buňky – nervový vzruch
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
51 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Lidské oko
Sı́tnice
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
52 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Lidské oko
Tyčinky
Čı́pky
barvivo rodopsin
maximum citlivosti 510 nm
120 mil., neostré viděnı́ za šera
barviva B, G a R v poměru 1:16:32
spolu max. citlivosti na 555 nm
7 mil., většina ve žluté skvrně
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
53 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Lidské oko
Intenzitní odezva
lokálnı́ maximum R okolo 400 nm → fialová mı́sto modré
subjektivnı́ vjem oka ∼ log(Φ)
adaptace pro rozdı́l 11 řádů v intenzitě
pupila – r = 2 mm pro 10000 lx, r = 6 mm pro 1 lx
400
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
500
600
Detekce světla
700
[nm]
54 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Fotografie
Princip fotografie
Záznam
dopad fotonu na halid střı́bra (AgBr, AgCl, AgBrI) → Ag + Br
uvolněnı́ Ag z kryst. mřı́žky, stabilnı́ černé zárodečné centrum Ag2
účinnost 1-5%
Vyvolánı́
ochranný želatinový povrch
chemický proces
redukce AgBr na Ag
3Ag katalyzátorem
zesı́lenı́ 108 - 1011
odstraněnı́ AgBr
10-20 fotonů/zrno –
50% že zčerná
binárnı́ záznam
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
zrna halidu stříbra
v želatinovém pojivu
dělící vrstva
sklo nebo plast
izolární vrstva
Detekce světla
55 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Fotografie
Spektrálnı́ odezva
Detekce UV
želatina absorbuje pod 300 nm →
zrna na povrchu
Detekce delšı́ch λ
excitace vı́ce fotony přes
mezihladiny
Absorpční koeficient [1/cm]
Energie [eV]
pro AgBr je W = 2.81 eV,
→ λg = 440 nm
10
10
10
10
4
3
AgBr
AgCl
5
4
10
3
2
10
1
250
zcitlivěnı́ zrn barvivy
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
6
5
300
350
400
450
500
Vlnová délka [nm]
Detekce světla
56 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Fotografie
Charakteristická křivka
Hustota zčernalých zrn
1. Hrubý šum
neodstranitelný, i bez expozice,
náhodný vznik zárodečných center
2. Podexpozice
regenerace AgBr (Schwarzchildův
jev), T-krystaly (zploštělá zrna),
zchlazenı́, nasycenı́ vodı́kem
3. Lineárnı́ oblast
kontrast γ = tan θ klesá s velikosti
zrn
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
4
3
2
1
log(H)
4. Přeexpozice
saturace
Detekce světla
57 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Fotografie
Vlastnosti fotografického záznamu
Rychlost
doba expozice potřebná pro určitou hustotu zčernalých zrn
holá zrna – čı́m většı́ tı́m rychlejšı́
zrna zcitlivělá barvivem – reakce jen na povrchu → zploštěnı́
velikost zrna ∼ λ → difrakce → zpomalenı́
pro zrychlenı́ – zchladit, předexpozice nebo lázeň s ionty Ag
Rozlišenı́
v čarách na mm
úměrný velikosti zrn, x10 až 100 kvůli rozptylu
Šum
neroste s délkou expozice ani s teplotou (výhoda oproti CCD)
chemický šum při vyvolávánı́ je zanedbatelný
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
58 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Fotografie
Barevná fotografie
Barevné složky obrazu
Osvětlení bílým světlem
Holá zrna citlivá
jen na modrou
Žlutý filtr
Neexponovaná
zrna nahrazena
barvivem:
žlutým
Žlutý filtr odstraňen
exponováno
Zrna citlivá
na zelenou
Zrna citlivá
na červenou
neexponováno
purpurovým
azurovým
vı́ce vrstev pro zvětšenı́ dynamického rozsahu (až 1:106 ),
jednorázové fotoaparáty s fixnı́ závěrkou
vrstva navı́c citlivá na modrou, při vyvolánı́ nahrazena azurovým
barvivem, záznam vı́ce odpovı́dá vjemu oka
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
59 / 168
Rozdělenı́ typů detektorů světla
Fotografie
Dokonalý záznam barevné informace
Gabriel Lippmann
1894 – prvnı́ metoda záznamu barevné fotografie
1908 – Nobelova cena za fyziku
fotografická emulze s rozlišenı́m 2-3 tis. čar/mm
stojaté vlněnı́ → periodická expozice, perida úměrná λ
Obraz nebo bílé osvětlení
Tekutá rtuť
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
Skleněná deska
Fot. emulze
Zrcadlo
60 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Obsah
1
Úvod
2
Zdroje světla
3
Rozdělenı́ typů detektorů světla
4
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotoodpory
Fotodiody
Šum fotodetektorů
5
Vnějšı́ fotoelektrický jev
6
Maticové detektory CCD a CMOS
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
61 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Vnitřnı́ fotoefekt
detekce v polovodičovém materiálu v oblasti bez volných nosičů
(velký odpor)
dopad fotonu (hν > Eg ) excituje elektron (−e) do vodivostnı́ho
pásu, na jeho mı́stě zůstává dı́ra (+e)
- Vodivostní pás
změna vodivosti materiálu nebo
pohyb nosičů vlivem elektrického
pole → elektrický proud v obvodu
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
h
Eg
+
Valenční pás polovodiče
Detekce světla
62 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotoodpory
Fotoodpory
Photoconductors
za tmy počet volných nosičů úměrný teplotě → nenulová vodivost
dopadajı́cı́ fotonový tok Φ → zvýšenı́ vodivosti materiálu σ
Materiál polovodičového detektoru
Vlastnı́ intristické, čistý polovodič bez přı́měsı́, jen
mezipásové přechody
Nevlastnı́ extrinsické, dopovaný polovodič, přechody z donorové
nebo akceptorové hladiny
Heterostruptury vrstvy různě dopovaných polovodičů, kvantové
bariéry a jámy
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
63 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Vlastnı́ fotoodpory
Fotoodpory
Intrinsic photoconductors
absorpce fotonů jen dı́ky mezipásmovým přechodům, hν > Eg
tvar a vzdálenost elektrod – minimalizace doby průchodu
průhledný substrát osvětlený zezadu, beze ztrát na kontaktech
h
Elektrody
Polovodič
Izolátor
h
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
64 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotoodpory
Rychlost generace R
V
∆n
ηΦ
=
wA
τ
∆n koncentrace a τ doba života
h
R=
A
+
ip
Změna vodivosti ∆σ
ηeτ (µe + µh )
Φ
wA
- pohyblivosti elektronu a dı́ry
∆σ =
w
µe,h
Ohmův zákon
Jp = ∆σE, ip = AJp → ip = ηeτ (µe + µh )ΦE/w
ve,h = µe,h E – střednı́ rychlost nosičů
τe,h = w/ve,h – střednı́ doba průchodu nosičů
většinou vh ve → ip ≈ ηeΦτ /τe
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
65 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotoodpory
Zisk G = τ /τe → ip ≈ ηeΦG
pokud τ < τe je G < 1 – jen část nosičů přispěje k proudu, zbytek
zrekombinuje, konstrukce – malá vzdálenost kontaktů × velikost
světlocitlivé plochy
Zákon zachovánı́ kontinuity proudu
je-li vh ve dojde elektron na kontakt dřı́v než dı́ra → nový elektron z
druhého kontaktu, průchod polovodičem, opakovánı́ dokud nedojde k
rekombinaci nebo dı́ra nedojde na kontakt, zisk úměrný počtu
průchodů elektronu polovodičem
Example (Zisk fotoodporu)
w=1 mm, ve = 107 cm/s → τe ≈ 10−8 s, τ podle materiálu od 10−13 s
po několik sekund. Volbou materiálu velký rozsah zisku 10−5 –109 ,
maximálně ale jen 106 – omezenı́ hustotou proudu, nárazovou ionizacı́
a průrazem dielektrika
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
66 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotoodpory
Vlastnosti materiálů I
Materiál
Si
Ge
PbS
InSb
GaAs
InP
κ0
11.8
16
161
17.7
13.2
12.4
τ [s]
10−4
10−2
2 · 10−5
10−7
≥10−6
∼10−6
µe [cm2 /Vs]
1 350
3 900
575
105
8 500
4 000
µp [cm2 /Vs]
480
1 900
200
1 700
400
100
Eg [eV]
1.11
0.67
0.37
0.18
1.43
1.35
Spektrálnı́ citlivost
závisı́ na η materiálu, dlouhovlnný limit dán Eg
slitina Hgx Cd1−x Te má Eg ∈ [1.55, 0] eV → λc ∈ [800, ∞] nm
(HgTe je kov)
posun λc podle teploty o 5 až 10%, nad 2 µm chlazenı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
67 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotoodpory
Vlastnosti materiálů II
Citlivost
úměrná G a η, tvar a velikost kontaktů, předpětı́ až po průrazné
(potom fluktuace vodivosti, nárůst šumu, destrukce)
materiály s velkou τ (nepřı́mý přechod, vysoká čistota bez
rekombinačnı́ch center)
Doba odezvy
závisı́ na τe,h a RC konstantě
R=
w2
Aκ0 ε0
, C=
,
ηeΦτ (µe + µh )
w
ε0 = 8.854 · 10−12 F/m
τ ∼ G ale τ ∼ 1/B, B – šı́řka pásma (rychlost odezvy), GB ≈ 109
1
meznı́ frekvence 2πτ
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
68 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Nevlastnı́ fotoodpory
Fotoodpory
Extrinsic photoconductors
excitace elektronu z donorové hladiny do vodivostnı́ho pásu,
vázaná dı́ra
excitace dı́ry z akceptorové hladiny do valenčnı́ho pásu, vázaný
elektron
většı́ pravděpodobnost termálnı́ excitace – chlazenı́ až na 4 K
Absorbčnı́ koeficient α(λ) = σi (λ)N1
σi (λ) – fotoionizačnı́ průřez, N1 – koncentrace dopantu
koncentrace N1 limitována rozpustnostı́ (1016 –1021 /cm3 ) a
nežádoucı́m nárůstem vodivosti (1015 –1016 /cm3 )
absorpčnı́ koeficient menšı́ cca o tři řády oproti vlastnı́m
polovodičům → zvětšenı́ objemu
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
69 / 168
Normovaná citlivost [A/W]
1.0
0.7
0.5
Ge:Hg
0.4
Ge:Cu
0.3
Ge:Ga
0.2
Ga:Ga
stressed
Ge:Zn
0.1
2
5
10
20
50
100
150 200
Vlnová délka [ m]
Dopant
Typ
λc [µm]
Al
B
Be
Ga
In
As
Cu
P
Sb
p
p
p
p
p
n
p
n
n
119
52
115
111
98
31
103
129
Ge
σi [10−15 cm2 ]
10
10
11
1
15
16
λc [µm]
18.5
28
8.3
17.2
7.9
23
5.2
27
29
Si
σi [10−15 cm2 ]
0.8
1.4
0.005
0.5
0.033
2.2
0.005
1.7
6.2
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotoodpory
Heterostruktury
vrstvenı́ různě dotovaných polovodičů → potenciálové jámy
(GaAs) a bariéry (AlGaAs)
QWIP Quantum-well a QDIP quantum-dot infrared photodetector
stlačený materiál (stressed) – narušenı́ krystalové mřı́žky, snı́ženı́
excitačnı́ energie
Komerčnı́ fotoodpory Tesly Blatná a.s.
Typ
M0856 20
P0860 200
K0772 10
Vmax [V]
250
320
150
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Pmax [mW]
125
125
125
λsmax [nm]
560
600
720
Detekce světla
R10lx [kΩ]
13...27
130...260
6.5...13.5
Rmin [MΩ]
2
50
10
71 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Fotodiody
Photodiodes
Princip
materiály s velkou vodivostı́ nelze použı́t jako fotoodpory
p-n rozhranı́ – selektivnı́ přesun termálně excitovaných majoritnı́ch
nosičů, elektrony do n a dı́ry do p-typu, kde rekombinujı́
vnitřnı́ elektrické pole (kontaktnı́ potenciál Vb )
ochuzená oblast bez volných nosičů
mimo ochuzenou oblast zanedbatelný potenciálový rozdı́l
(relativně velká vodivost dotovaného materiálu)
jen mezipásmové přechody majoritnı́ho čistého polovodiče
excitovaný elektron a dı́ra se pohybujı́ opačným směrem dı́ky
vnitřnı́mu elektrickému poli
změna vodivosti přechodu s dopadajı́cı́m zářenı́m
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
72 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
p-n fotodiody
závěrné napětı́ (kladné na
n-typ) → sečtenı́ potenciálů,
zvětšenı́ ochuzené oblasti,
zvětšenı́ odporu, zmenšenı́
kapacitance
h
i
i = is e(eV /kT ) − 1 − ip
Energie elektronu
p
Koncentrace
nosičů
proud ip = ηeΦ a citlivost
i
eη
podobně jako u
S = Pp = hν
fotoodporu
Ochuzená vrstva
. . . .
...........................
p(x)
- ++
-+
-
n
.................. E
. .eV . .
f
0
n(x)
x
is – saturovaný proud
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
73 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Oblasti absorpce podle transportu nosičů
1
ochuzená oblast, transport vlivem vnitřnı́ho elektrického pole
2
v bezprostřednı́ blı́zkosti ochuzené oblasti může nosič náboje
náhodně dodriftovat do oblasti s elektrickým
p polem, koeficient
difůze De,h [cm2 /s], difůznı́ délka Le,h = De,h τe,h [cm]
3
ve vzdálenosti většı́ jak Le,h nepřispějı́ nosiče k proudu ve vnějšı́m
obvodu
Fotony
3
0
-
+
p
2
1
+
-
2
-
+
+
3
+
n
ip
U
Elektrické pole E
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
74 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Doba odezvy
závisı́ na τe,h a RC konstantě stejně jako u fotoodporu
navı́c doba difůze nosičů vzniklých mimo ochuzenou oblast
Materiály fotodiod s meznı́ vlnovou délkou
diamantové vrstvy
GaN
Alx Ga1−x AsSb
GaInAs
InAs
Hg1−x Cdx Te
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
230 nm
370 nm
0.75-1.7 µm
1.65 µm
3.4 µm
1-15 µm
Detekce světla
Alx Ga1−x N
GaP
Si
Ge
InSb
200-370 nm
520 nm
1.1µm
1.8 µm
6.8 µm
75 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Elektrické zapojenı́ I
1 na prázdno – zvýšenı́ elektrického pole (napětı́ na kontaktech), v
solárnı́ch článcı́ch, citlivost ve V/W
2 na krátko – přı́mé spojenı́, měřı́ se fotoproud ip
i
i
ip
Up
0
is
=0
0
Up1 Up2 U
is
=0
1
1
2
2
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
-ip1
U
-ip2
76 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Elektrické zapojenı́ II
3 se závěrným napětı́m
4 se závěrným napětı́m s odporem v sérii
i
i
RL
i
UB
i
-UB
UB
-UB
U
U
-UB/RL
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
77 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
p-i-n fotodiody
Ochuzená vrstva
p
snı́ženı́ C ale prodlouženı́ τe,h
menšı́ poměr mezi difůznı́ a
driftové vzdálenosti →
rychlejšı́ odezva
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
+
+
+
Energie elektronu
většı́ světlocitlivá oblast
i
n
Elektrické pole
Elektrické Hustota vázaného
náboje
pole
vlastnı́ nebo slabě dotovaný
polovodič mezi p a n-typ → širšı́
ochuzená vrstva
-
Detekce světla
Ec
Ev
+
x
x
78 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Vlastnosti p-i-n
1.0
Ideální Si fotodioda
Typické Si
fotodiody
}
Citlivost
nepřı́mý zakázaný pás – maximum S
pro λ < λg
Citlivost [A/W]
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
200
400
600
800
1000
g
Vlnová délka [nm]
Heterostruktury
vrstva s většı́ šı́řkou zakázaného pásu – průhledné okénko
AlGaAs/GaAs – 700-780 nm
Inx Ga1−x As/InP – 1.3-1.6 µm, η ∼ 75%, S ∼ 0.9 A/W
Hgx Cd1−x Te/CdTe – 3-17 µm, nočnı́ viděnı́, komunikace
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
79 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Fotodiody s Schottkyho bariérou
heteropřechod kovu a polovodiče, majoritnı́ nosiče
tenká ochuzená oblast poblı́ž povrchu – detekce krátkých λ
rychlá odezva (ps), malá RC konstanta (malý odpor kovu)
Polovodič
W-
Ec
Ef
+
Kov
+
Kov
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
-
Detekce světla
Polovodič
Ev
80 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Technické parametry komerčnı́ch fotodiod
λp pro maximum citlivosti
RSH odporový bočnı́k
CJ kapacitance přechodu
VBIAS předpětı́
fBW šı́řka pásma fBW = 2πR 1 CJ
LOAD
Vout napětı́ na zátěžovém odporu
Vout = Popt S(λ)RLOAD
ID temný proud
NEP (noise equivalent√power)
noise
[W/ Hz]
NEP = δISG
Inoise šumový proud
(termálnı́+temný+signálnı́+ziskový)
G zisk transimpedančnı́ho zesilovače
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
aktivnı́ oblast
rozsah
detekovaných
vlnových délek
meznı́ frekvence
mez linearity
práh zničenı́
délka náběžné a
úběžné hrany
impulzu
(tR ≈ 0.35/fBW )
81 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Lavinové fotodiody
Fotodiody
APD – Avelanche photodiodes
-
p
závěrné napětı́ na p-n
přechodu veliké →
nárazová ionizace, lavinové
násobenı́ nosičů náboje
3
+ h
+
Urychlení elektronu
-
1
Excitace
+
Urychlení díry
Excitace
-2
+
n
Ec
Eg
Ev
x
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
82 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Koeficient ionizace a ionizačnı́ poměr
αe,h koeficient ionizace elektronů a děr [1/cm]
roste s elektrickým polem
klesá s teplotou
K ionizačnı́ poměr K = ααeh
αh αe , K 1, excitujı́ jen elektrony, lavina z p do n
αh αe , K 1, excitujı́ jen dı́ry, lavina z n do p
αh ≈ αe , K ≈ 1, excitujı́ oba nosiče, zvýšenı́ zisku ale delšı́
odezva (menšı́ šı́řka pásma), vı́ce šumový, nestabilnı́,
možnost lokálnı́ho průrazu a poškozenı́ detektoru
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
83 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
SAM APD
Fotodiody
Separate Absorption-Multiplication APD
u APD velikosti světlocitlivé plochy × multiplikačnı́ oblasti
z materiálů s malým K
ve velké slabě dotované oblasti (π) elektrické pole malé na
nárazovou ionizaci – detekce
úzká multiplikačnı́ oblast s velkým elektrickým polem – laviné
zesı́lenı́
+
+
p
p n
+
Hustota náboje
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
x
Elektrické pole
Detekce světla
84 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Zisk APD
Je(w)
K = 0 → Je (x) = Je (0)eαe x
Jh(x)
G = e αe w
multiplikace elektronů i děr,
potom Je (x) + Jh (x) = konst.
a
0
1−K
30
e−(1−K)αe w − K
20
G
G=
Je(x)
Je(0)
K = 1 → G = 1−α1 e w
pro αe w = 1 je G = ∞
→ nestabilnı́ situace, možnost
zničenı́ detektoru
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
w
=1
= 0.5
x
=0
10
Detekce světla
0
0
1
2
3
ew
85 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
-4
10
10
Temný proud
Fotoproud
-5
-6
Oblast zisku
Citlivost APD
S=
ηGe
hν
Proud [A]
10
10
-7
10
10
10
-8
-9
Průrazné
napětí
-10
10
10
-11
Destrukční
napětí
-12
10
15
20
25
30
Závěrné napětí [V]
Materiály
podobně jako u p-i-n fotodiod
Si 700-900 nm, K mezi 0.1 a 0.2 ale i 0.006
InGaAs 1.3-1.6 µm, většı́ K i citlivost, střednı́ šum,
pracovnı́ napětı́ 105 V/cm
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
86 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Doba odezvy APD
1
doba průchodu ochuzenou vrstvou šı́řky wd
2
doba driftu poblı́ž ochuzené vrstvy
3
RC konstanta
4
charakteristická doba lavinového násobenı́ τm
τ=
wd
w
+ d + τm
ve
vh
pro K = 0 je hornı́ limit τm =
multiplikačnı́ oblasti
wm
ve
+
0 < K < 1 a G 1, potom τm ≈
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
wm
vh ,
GKwm
ve
Detekce světla
kde wm je šı́řka
+
wm
vh
87 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
APD v Geigerově módu – jednofotonové APD
dokážı́ zaznamenat dopad jednotlivých fotonů
pro zobrazovánı́, naváděnı́ satelitů, kvantová informatika
binárnı́ – dopadl foton × nedopadl foton
nadprůrazné napětı́, dopad fotonu → velká lavina, nutné aktivnı́ či
pasivnı́ zhášenı́
samovolná (temná) detekce, čistota materiálu
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
88 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Fotodiody
Materiály jednofotonových APD
Si 0.4-1 µm, ηmax ≈ 75%, temné detekce <100/s, rychlé (50
ns aktivnı́ zhášenı́)
InGaAs/InP 1.3-1.6 µm, ηmax ≈ 20%, temné detekce 5 000/s,
pomalejšı́
Ge a Si-Ge pro telekomunikačnı́ oblast 1.3-1.6 µm
pro IČ do 4 µm detektor s absorbčnı́ oblastı́ z InAsSb,
multiplikačnı́ oblast z AlGaAsSb na substrátu z GaSb
GaN a SiC pro UV, SiC odolný velkým teplotám a nehostinnému
prostředı́
lepšı́ kvantová účinnost na úkor šı́řky pásma
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
89 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Šum fotodetektorů
Generovaný elektrický proud i je náhodná veličina
ip = ηeΦ = SP,
σi2 = h(i − ip )2 i
Zdroje šumu
1
Fotonový šum – dopadajı́cı́ fotony, většinou Poissonovo rozdělenı́
2
Fotoelektronový šum – vždy pro η < 1
3
Šum zisku – u fotoodporů a APD zisk náhodný
4
Šum vnějšı́ho obvodu – odpory, kapacitory atd.
5
Šum pozadı́ – neodstı́něné světlo z nesledovaných zdrojů,
termálnı́ zářenı́ objektů
6
Temný šum – náhodná generace nosičů tepelně nebo
tunelovánı́m
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
90 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Fotoelek. šum
Detekovaný
signál
Fotonový šum
Vstupní optický
signál
Zisk
Sběr proudu
Vstupní optický
signál
Šum zisku
Obvodový šum
Fotoefekt
Fotonový šum
Fotoefekt a sběr proudu
Obvodový šum
Fotoelek. šum
Detekovaný
signál
Veličiny poměřujı́cı́ šum
SNR Poměr signálu k šumu, SNR = ip2 /σi2 SNR = np2 /σn2 , minimálnı́
detekovaný signál má SNR = 1
F Faktor zvýšenı́ šumu (Excess noise factor), F = hG2 i/hGi2
BER Chybovost na bit informace (Bit errorr rate)
Citlivost přijı́mače (Receiver sensitivity) minimálnı́ Φ pro určitou
hodnotu SNR0 (10-103 ) popř. BER (109 )
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
91 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Fotonový šum
neodstranitelný, charakteristika dopadajı́cı́ho zářenı́
Laserové zářenı́ nebo termálnı́ s šı́řkou spektra > 1/T –
Poissonova statistika
Poissonova statistika (výstřelový šum)
p(n) = (npn e−np )/n!, σn2 = np , SNR = np , minimálnı́ detekovaný signál
je 1 foton
Přı́klad
pro t = 1 µs a λ = 1.24 µm je minimálnı́ detekovaný výkon 0.16 pW.
Pro SNR0 = 103 (30 dB) potřeba 103 fotonů. Pro t = 10 ns to
odpovı́dá 1011 fotonů/s nebo 16 nW
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
92 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Fotoelektronový šum
Náhodnost vzniku páru nosičů po dopadu fotonu
s pravděpodobnostı́ η vznikne
s pravděpodobnostı́ 1 − η nevznikne
Počet fotoelektronů
náhodná veličina
střednı́ hodnota mp = ηnp = ηΦt
kopı́ruje statistiku dopadajı́cı́ho zářenı́
2 = SNR = m = ηn )
(Poissonova → σm
p
p
fotoelektronový a fotonový šum nejsou aditivnı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
93 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Šum fotoproudu I
fluktuace elektrického proudu i(t) v obvodu fotodetektoru v
závislosti na dopadajı́cı́m fotonovém toku
zahrnuje fotonový a fotoelektronový šum, charakteristickou dobu
odezvy a elektrické zapojenı́ detektoru
Fotony
t
Fotoelektrony
Proudové
pulzy
Elektrický
proud
(výstřelový
šum)
t
i
p
Plocha e
t
i
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
ip
t
Detekce světla
94 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Šum fotoproudu II
dopadajı́cı́ zářenı́ Φ popř. np generuje ηnp = mp fotoelektronů za
1
tr (rozlišovacı́ schopnost), tr = 2B
2
fotoproud i(t), ip = mp e/tr , σi2 = (e/tr )2 σm
Poissonovské dopadajı́cı́ zářenı́
ip = eηΦ,
σi2 = 2eip B, SNR =
ip
ηΦ
=
= mp
2eB
2B
Example
Pro ip = 10 nA a B= 100 MHz je σi ≈ 0.57 nA, SNR = 310 (25 dB).
Tedy 310 fotoelektronů je detekováno v každém časovém intervalu tr =
5 ns. Minimálnı́ zaznamenatelný fotonový tok je Φ = 2B/η a pro
citlivost přijı́mače SNR0 = 103 dostaneme
Φ = 1000(2B/η) = 2 · 1011 /η fotonů za sekundu.
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
95 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Šum zisku
Proces zesı́lenı́
deterministický, potom e → q = Ge, žádný šum navı́c
náhodný (u fotoodporu, APD i fotonásobiče)
2
potom Gp s σG
proud v obvodu ip = eGp ηΦ s σi2 = 2eGp ip BF
Faktor zvýšenı́ šumu F
F =
hG2 i
hGi2
=1+
2
σG
hGi2
F ≥ 1 a roste s náhodnostı́ zesı́lenı́
SNR =
ip
2eGp BF
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
=
ηΦ
2BF
=
mp
F
Detekce světla
96 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Faktor zvýšenı́ šumu u APD
Injekce nosiče náboje do multiplikačnı́ oblasti APD s K
elektrony K < 1, F = KGp + (1 − K)(2 − 1/Gp )
dı́ry K > 1, F = Gp /K + (1 − 1/K)(2 − 1/Gp )
oba sečtenı́ vzorců
Faktor zvýšení šumu F
1000
100
50
10
5
1
0.5
0.1
100
0.05
10
0.01
=0
1
1
10
100
1000
Střední zisk Gp
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
97 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
h
p
Přı́činy šumu zisku APD
1
náhodnost mı́sta vzniku
2
zpětná vazba – excitujı́ oba
nosiče
-
Urychlení
Excitace
+
--
n
+
Možnosti potlačenı́ šumu zisku
organizace materiálu, jen pro wm < 400 nm a malý zisk
uprava energie injektovaných nosičů gradientnı́m polem – redukce
prvnı́ mrtvé oblasti
heterostruktury – skoky v energetických pásech
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
98 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Obvodový šum
tepelný pohyb nosičů náboje v odporech a fluktuace v tranzistorech
zesilovače
Tepelný šum (Johnsonův, Nyquistův)
náhodné fluktuace proudu pro T > 0
je-li frekvence změn kT /h = 6.24 THz (T = 300 K) a B kT /h,
potom σi2 ≈ 4kTB/R
parametr šumu obvodu σq
σr tr
e
σr
2Be ,
σr /e - variance elektronového toku
q
obvod limitován odporem – σq = e2kT
R B
σq =
=
√
obvod limitovaný zesı́lenı́m – σq ≈
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
L
B
100
99 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Poměr signálu k šumu SNR
Gp2 mp2
ip
(eGp ηΦ)2
=
=
2eGp ip BF + σr2
2e2 Gp2 ηBΦF + σr2
Gp2 Fmp + σq2
SNR =
detektor bez zisku → SNR = mp2 /(mp + σq2 )
minimálnı́ počet fotoelektron
ů mp0 pro určitou hodnotu SNR0 –
q
h
i
mp0 = 1/2 SNR0 + SNR02 + 4σq2 SNR0
10
q=
5
=0
100
100
4
10
mp =
Gp = 100
F=2
3
2
q
SNR
SNR
10
0.1
10
10
mp = 1000
Gp = F = 1
APD
2
q
Fotodioda
10
= 500
1
1
10
2
10
10
3
10
4
10
1
5
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
10
100
1000
Gp
mp
Detekce světla
100 / 168
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
Šum fotodetektorů
Chybovost BER
”1” – detekce np fotonů × ”0” – bez detekce (0 fotonů)
průměrný počet fotonů na bit → npa = np /2
Poissonovo rozdělenı́ – BER = e−np /2 = e−2npa /2
Minimálnı́ počet fotonů na bit pro BER0 = 10−9
ideálnı́ detektor
Si APD
10
125
InGaAs APD
p-i-n fotodioda
500
6 000
Střednı́ počet fotoelektronů na bit mpa
mpa = 18F +
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
6σq
Gp
101 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Obsah
1
Úvod
2
Zdroje světla
3
Rozdělenı́ typů detektorů světla
4
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
5
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Užitı́ fotonásobičů
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Konstrukce fotonásobičů
6
Maticové detektory CCD a CMOS
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
102 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Vnějšı́ fotoefekt (fotoelektronová emise)
Foton dodá elektronu takovou energii, že překoná výstupnı́ práci kovu
W popř. energii zakázaného pásu Eg a elektronovou afinitu χ
polovodiče a unikne do vákua.
a)
- Volný elektron
Nejbližší vyšší pás
Vakuum
b)
W
- Volný elektron
c)
Vakuum
Vodivostní pás -
W
h
Fermiho h
hladina
Vodivostní pás kovu
h
Eg
+
+
Valenční pás polovodiče
fotonásobič = fotokatoda + dynody + anoda
dobrá citlivost a η v UV a VIS, rychlý čas odezvy, nı́zký šum
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
103 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Historie
Fotokatoda
1887 Hertz, objev fotokatody
1905 Einstein, teoretický popis
Fotonásobič
1902 Austin, povrch pro
sekundárnı́ emisi
1913 Elster a Geitel, prvnı́
fotoelektrická trubice
(fotonka)
1935 Iams a kol., trioda
(fotokatoda+dynoda) pro
zesilovač zvuku filmu
1929 Koller a Campbell,
fotokatoda z Ag-O-Cs, 100x
citlivějšı́
1936 Zworykin a kol., dalšı́
dynody, transport elektronů
elektrickým a magnetickým
polem
později bialkalické fotokatody pro
VIS, multialkalické pro IČ,
alkalihalidové pro UV,
polovodičové s NEA
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
1939 Zworykin a Rajchman,
elektrostatický fokuzačnı́
fotonásobič z Ag-O-Cs a
později z Sb-Cs
Detekce světla
104 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Konstrukce fotonásobiče
Fotokatoda
UK U1
Anoda
U2
U3
Dynody
Un
vakuum pro zamezenı́ ztrat a ionizace
propustnost okénka a účinnost fotokatody
sekundárnı́ emise na dynodách
sběr elektronu na anodě, proudový impulz
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
105 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Okénko
průhledná část krytu, neprodyšný spoj, pokud je kryt z jiného materiálu
1.00
0.70
MgF2 od 115 nm, nenı́ tolik
hydrofilnı́
UV sklo od 185 nm
0.10
Borosilikátové sklo
0.20
Syntetický křemík
UV sklo
Syntetický Si od 160 nm, menšı́
absorpce než tavený Si,
penetrace He
0.30
MgF2
Safír
Safı́r (Al2 O3 ) od 150 nm
Propustnost
0.50
0.05
120 140 160
200 240
300
400
500
Vlnová délka [nm]
Borosilikátové (Kovarové) sklo od 300 nm, teplotnı́ roztažnost blı́zká
kovarovým slitinám (vodiče), málo 40 K (K-free), scintilačnı́ čı́tánı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
106 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Fotokatoda
Dělenı́ fotokatod podle směru elektronové emise
Transmisnı́ head on, tenká vrstva aktivnı́ho materiálu na skleněné
destičce
Reflexnı́ side on, na kovovém substrátě
h
h
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
e
e
Detekce světla
107 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Kvantová účinnost fotokatody
η(ν) = (1 − R)
1
Pν L
Pν
Ps = (1 − R)
Ps
k 1 + 1/kL
kL + 1
R odrazivost materálu
k plný absorbčnı́ koeficient fotonů
Pν pravděpodobnost excitace elektronu do vyššı́ hladiny než vakuové
L střednı́ úniková rychlost elektronů
Ps pravděpodobnost úniku elektronu do vákua
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
108 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Materiály fotokatod
CsI a CsTe od 200 resp. 300 nm, solar blind, s okénky z MgF2 ,
syntetického Si nebo bez
Sb-Cs UV a VIS, pro většı́ intenzity, malý odpor, jen reflexnı́
Bialkalické Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, UV a VIS, vysoká citlivost, malý
temný proud
Vysokoteplotnı́ bialkalické Sb-Na-K, UV a VIS, menšı́ citlivost,
pracovnı́ teplota až 175◦ C (normal 50◦ C)
Multialkalické Sb-Na-K-Cs, od UV po 900 nm
Ag-O-Cs od 300 po 1 200 nm transmisnı́, po 1 100 nm reflexnı́, malá
citlivost ve VIS
GaAsP(Cs) transmisnı́ ve VIS, velká citlivost, degraduje pro velké
intenzity
GaAs(Cs) transmisnı́ od UV po 900 nm, plochá závislost citlivosti,
degraduje pro velké intenzity
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
109 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Zářivé citlivosti fotokatod
Reflexnı́ fotokatoda
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Transmisnı́ fotokatoda
Detekce světla
110 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Infračervené fotokatody
InGaAs(Cs) posunutá do IČ, výborný SNR mezi 900 a 1 000 nm
InP/InAsP(Cs), InP/InGaAs(Cs) polovodičový p-n přechod, až do 1
700 nm, nutné chlazenı́ až na -80◦ C kvůli šumu
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
111 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Dynody
primární
elektron
sekundární
elektrony
násobenı́ počtu elektronů sekundárnı́
emisı́
povrch sekundární emise
spojitá (MCP) × oddělené, stupňovité
napětı́ 100-200 V, počet 1-19
elektroda substrátu
zisk na n dynodách – δ n
materiály – alkalicko antimonové slitiny
BeO, MgO, GaP, GaAsP na elektrodách z
Ni, oceli a CuBe slitin
100
Poměr sekundární emise
zisk 10-100, poměr sekundárnı́ emise δ
závisı́ na materiálu a napětı́
GaP:Cs
50
K-Cs-Sb
20
Cs3Sb
10
Cu-BeO-Cs
5
2
1
50
100
200
500 1000 2000
Urychlovací napětí [V]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
112 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Trajektorie elektronů
dráha elektronů optimalizovaná numerickou analýzou
fokuzace elektronů na dynody
minimálnı́ rozdı́l časů průchodu elektronů
zamezenı́ zpětné vazby (iontová, světelná)
Sběrná účinnost α
počet elektronů na pvnı́ dynodě / emitovaných z fotokadody
hodnota mezi 60 až 90%
Konstrukce
závisı́ na použitı́
kruhová, box&grid, lineárnı́ fokuzovaný typ a jiné viz dále
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
113 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Součásti fotonásobiče
Anoda
tvar tyče, desky nebo sı́tě
optimalizece napětı́ pro omezenı́ prostorového náboje a
maximalizaci zisku
Periferie (elektronika a kryt)
stabilizovaný zdroj vysokého napětı́ 1-2 kV ± 0.1%
obvody rozdělujı́cı́ napětı́ na dynody, anodu a směrovacı́ elektrody
kryt stı́nı́ elektrické a magnetické pole, nechtěné světlo
změna charakteristik fotonásobiče podle vnějšı́ch vlivů (teplota,
vlhkost, mechanické napětı́, elemag. pole)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
114 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Užitı́ fotonásobičů
Výběr fotonásobiče podle vlastnostı́ světla
Vlnová délka materiál okénka, maximum citlivosti fotokatody
Intenzita počet dynod a napětı́ mezi nimi, analogové nebo
digitálnı́ zpracovánı́ signálu
Rozměr svazku velikost okénka a efektivnı́ průměr fotokatody,
transmisnı́ nebo reflexnı́ fotokatoda
Rychlost dějů rychlost odezvy fotonásobiče rychlejšı́ než změna
intenzity signálu, šı́řka pásma elektroniky
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
115 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Užitı́ fotonásobičů
Režim činnosti
DC kontinuálnı́, pomalá změna intenzity signálu
AC pulznı́, rychlé změny intenzity signálu
PC čı́tánı́ fotonů, binárnı́ odezva, nastavenı́ diskriminátoru
PMT
.
DC
npF
A/D
PC
vr A/D
PC
PČ
PC
RL
PMT
.
DC
RL
PMT
.
AC
Discr
RL
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
116 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Užitı́ fotonásobičů
Fotonové čı́tánı́
Signál:silný
slabý
velmi slabý
Ns
SNR = p
2Ns + 4Nd
Ns – signálnı́ detekce
Nd – detekce pozadı́, nezávisı́
na šumovém faktoru
temný šum a šum zesilovače
ořezán diskriminátorem
Počet detekcí
signál + temný proud
temný proud
výkyvy napětı́ na dynodách ani
zesı́lenı́ nemá vliv na funkci
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
S(L)
Velikost pulzu
117 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů I
Kvantová účinnost
Zářivá citlivost
η=
Sk (λ) = Ik /Lp [A/W]
1240
hc
Sk ≈
Sk
λe
λ[µm]
porovnánı́ s kalibrovanou fotodiodou
nebo fotonásobičem
Rozsah spektrálnı́ odezvy
krátkovlnný limit – materiál okénka
dlouhovlnný limit – materiál fotokatody
– pokles na 1% z maxima pro bialkalické a Ag-O-Cs
– pokles na 0.1% z maxima pro multialkalické
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
118 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů II
Světelná odezva
– závislost výstupnı́ho proudu na svı́tivém toku (v lumenech) z
wolframové lampy teploty 2856 K
– katodová a anodová (vlastnosti po multiplikaci)
Zisk
sběrná účinnost α
dynodový zisk (poměr sekundárnı́ emise) δ = aUk
materiálová konstanta k = 0.7 ÷ 0.8
δ1 = IIdlk - počet sekundárnı́ch elektronů ku fotoelektrickému
proudu, δn =
Idn
Id(n−1)
celkový zisk µ = αδ1 · δ2 · · · δn , stejný zisk na všech dynodách →
µ = α(aUk)n – velká citlivost na změnu napětı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
119 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů III
20
TTS ∼ U −2
minimálnı́ pro lineárnı́
fokuzovaný typ a kovové
kanálky
Čas [ns]
Časová odezva
zpožděnı́ způsoboné prvky od
katody po anodu
Doba
průchodu
10
7
5
Úběžná
hrana
3
2
Náběžná
hrana
1
0.7
0.5
1.2
TTS
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
Přiložené napětí [kV]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
120 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů IV
Linearita
hornı́ mez intenzity pro katodu 0.1 až 10 µA, pro anodu 10 mA
AC – limituje efekt prostorového náboje
DC – limitujı́ obvody napět’ového zesilovače
lepšı́ u reflexnı́ch fotokatod – malý odpor substrátu
roste s napětı́m a počtem dynod
Uniformita
změna vlastnostı́ fotonásobiče na poloze a úhlu dopadu fotonů
Stabilita
změna vlastnostı́ v čase, krátkodobě drift (zahřı́vánı́) 30 až 60 minut,
dlouhodobě životnost fotokatody 103 až 104 hodin
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
121 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů V
Histereze
závislost výstupnı́ho proudu na předchozı́ hodnotě
NEBO
Ii
0
zahřívání
Imin Imax
5 6 7 8 9
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
(minuty)
Detekce světla
Ii
Imin Imax
5 6 7 8 9
122 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Temný proud (temný šum)
anodový proud se zakrytým detektorem
a proniklý proud z dynod na anodu
nebo patici (špatná izolace)
c scintilace na skle a držácı́ch
elektrod, elektrony vytržené polem
ostatnı́ ionizace na zbylém plynu
(vakuum 10−6 až 10−5 Pa),
kosmické zářenı́ (Čerenkovovo
zářenı́ z muonů), radioizotopy
obsažené ve skle (betazářenı́ z 40 K)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
10
Proud na anodě [A]
b tepelná emise fotokatody a dynod
−eW
∼ T 4/5 e kT
10
-5
-6
-7
Temný proud
Výstupní signál
Tepelná emise
c
10
10
10
10
-8
b
-9
a
-10
10
-11
200
300
500
700
1000
1500 2000
Přiložené napětí [V]
123 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Závislost temného proudu a detekcı́ na teplotě
-6
10
R316
R374
R6248
R3550
-7
10
-8
10
Temné detekce [Hz]
Anodový temný proud [A]
10
10
10
10
-9
-10
7
6
10
10
5
4
T,Ag-O-Cs
GaAs
T,ba
T,ma
T,ba,nš
R,ma
R,ba,nš
3
10
2
10
10
1
-11
10
-40
-20
0
20
40
o
-40
-20
0
20
40
o
Teplota [ C]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
-60
Teplota [ C]
Detekce světla
124 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Poměr sigbálu k šumu SNR
SNR =
Ip
Ip+d
=
Ip+d − Id
Ip+d
id
id
ip
Ip
SNR = q
δ
2eB δ−1
(Ip + 2Id ) + NA2
ip+d
ip+d
Zlepšenı́ SNR
maximálnı́ účinnost pro dané λ, optimalizace přenosu elektronů,
maximálnı́ zachycenı́ světla, rozšı́řenı́ B
SNR elektronového násobiče (dynod)
r
η 0 n0 δ10
SNR =
, η 0 = η· kolekčnı́ účinnost, δ10 = δ1 (δ − 1)/δ
δ 0 +1
1
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
125 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Fyzikálnı́ vlastnosti fotonásobičů
Afterpulsing – pravděpodobnost následného pulzu
rychlé 1 ÷ 100 ns
důsledek elastických odrazů na prvnı́ dynodě
lze eliminovat speciálnı́ elektrodou
fotonového čı́tánı́ – elektronika je nestihne zaznamenat
pomalé 100 ns ÷ 1 µs
důsledek zpětné iontové vazby (penetrujı́cı́ He+ )
rostou s napětı́m
Závislost na polarizaci
podle Fresnelových vztahů, ztráty na rozhranı́ch okénka a fotokatody
podle úhlu dopadu a typu polarizace
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
126 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Konstrukce fotonásobičů
Konstrukce fotonásobičů
Kruhový typ
1 až 9 - dynody
mřížka
1
3
kompaktnı́, reflexnı́ i transmisnı́, rychlá
odezva
2
e
h
4
5
6
Box&grid
8
jen transmisnı́, výborná sběrná
účinnost elektronů
h
7
fokuzační elektroda
e
fotokatoda
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
dynody
Detekce světla
9
fotokatoda
anody
-4
vakuum~10 Pa
anoda
poslední
dynoda
kontakty patice
127 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Konstrukce fotonásobičů
Lineárnı́ fokuzovaný typ
jen transmisnı́, rychlá odezva, dobré časové rozlišenı́ a linearita
h
fokuzační elektroda
e
fotokatoda
dynody
anoda
poslední
dynoda
kontakty patice
Žaluziový typ
jen transmisnı́, velká fotokatoda, jednoduchý sběr elektronů
h
fokuzační elektroda
dynody
fotokatoda
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
anoda
poslední
dynoda
kontakty patice
128 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Konstrukce fotonásobičů
Mikrokanálek
trubička s vnitřnı́m ∅ 5 až 45 µm a
délkou cca 40x většı́
napětı́ spojitě podél kanálku
e
V1
V2
velký šum (o 5 řádů oproti dynodám 10−11 A)
Mikrokanálková destička MCP
svazek mikrokanálků až do ∅ 10 cm
h
výborné časové rozlišenı́
stabilnı́ zisk (104 až 106 ) v mag. poli
s multianodou určenı́ mı́sta dopadu
použitı́ v intenzifikátorech obrazu
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
129 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Konstrukce fotonásobičů
h
Sı́t’ový typ
dobrá linearita
necitlivý na magnetické pole
s multianodou určenı́ mı́sta dopadu
Kovové kanálky
podobné vlastnosti jako MCP
Elektronové bombardovánı́
urychlenı́ e− vysokým napětı́m
po dopadu na polovodič excitace spršky
elektronů → dalšı́ zesı́lenı́
AD
h
e
velký zisk s malým šumem
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
130 / 168
Vnějšı́ fotoelektrický jev
Konstrukce fotonásobičů
Porovnánı́ konstrukcı́ fotonásobičů
Typ
konstrukce
Kruhový
Box&grid
Lin. fok.
Žaluziový
Sı́t’ový
MCP
Kovové kan.
Elek. bomb.
Náběžná
Linearita
hrana [ns]
[mA]
0.9 - 0.3
1 - 10
6 - 20
1 - 10
0.7 - 3
10 - 250
6 - 18
10 - 40
1.5 - 5.5
300 - 1000
0.1 - 0.3
700
0.65 - 1.5
30
závisı́ na polovodiči
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Imunita mag.
pole [mT]
0.1
0.1
0.1
0.1
500 - 1500
1500
5
-
Uniformita
Detekce světla
slabá
dobrá
slabá
dobrá
dobrá
dobrá
dobrá
výborný
Kolekčnı́
účinnost
dobrá
výborná
dobrá
slabá
slabá
dobrá
dobrá
výborný
Klady
kompaktnı́, rychlý
velká kolekčnı́ účinnost
rychlý, vysoká linearita
velký průměr
vysoká linearita
rychlý
kompaktnı́, rychlý
vysoké elek. rozlišenı́
131 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Obsah
1
Úvod
2
Zdroje světla
3
Rozdělenı́ typů detektorů světla
4
Vnitřnı́ fotoelektrický jev
5
Vnějšı́ fotoelektrický jev
6
Maticové detektory CCD a CMOS
Úvod
Proces detekce
Vlastnosti CCD
Snı́mánı́ obrazu CCD
Barevné snı́mánı́
Porovnánı́ CCD a CMOS
Scientific CCD iKon
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
132 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Úvod
Historie
CCD
Charged Coupled Device
vyvýjeny od 60. let 20. stol. v Bellových laboratořı́ch jako nový typ
počı́tačové paměti
na bázi MOS (Metal Oxid Semiconductor)
CMOS
Complementary MOS
vyvýjeny přı́mo jako detektor světla (náročný vývoj)
zvládnuté od 90. let 20. stol.
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
133 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Úvod
Princip
U1
U2
U1
polySi
SiO2
bariéra
bariéra
fotoelektrony
jáma
Si substrát
polykřemı́k – vodič, SiO2 – izolant
vznik elektron-děrového páru po dopadu fotonu
zachycenı́ elektronů v potenciálových jamách
počet fotoelektronů úměrný počtu dopadlých fotonů
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
134 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Úvod
Zpracovánı́ obrazu u CCD
změnou napětı́ na kontaktech přenos náboje po řádcı́ch z
paralelnı́ho do sériového registru, potom po pixelech k jedinému
převodnı́ku – převod na napětı́
výstupnı́ zesilovač, zpracovánı́ a řı́zenı́ mimo čip
CCD obrazový senzor
paralelní registr
h
e-
sériový registr
... ... ... ... ... ...
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
....
...
...
...
...
.. e/U
tištěný obvod kamery
řízení
taktování
oscilátor
generace
časování
a
taktování
generátor
napětí
zesilovač
Detekce světla
A/D
přenos
135 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Úvod
Zpracovánı́ obrazu u CMOS
převodnı́k na napětı́ u každého pixelu (menšı́ aktivnı́ plocha)
oscilátor
sloupcový zesilovač
sloupcový slučovač
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
zesilovač
Detekce světla
A/D
konektor
generátor
časování
a
taktování
rozdělovač napětí
kamera
generátor napětí
řádkový ovladač
e-
řádkový přístup
zpracovánı́ a řı́zenı́ na stejném čipu
e/U
CMOS obrazový senzor
tištěný
obvod
přenos
136 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Úvod
Výhody kamer
dlouhá akumulace signálu – elektronů v potenciálových jamách
η od 20 do 95 % (fotofilm 3-5 %)
vysoká linearita
dobrá rozměrová stálost, rozlišenı́ až 1/10 pixelu (výpočetnı́
algoritmy)
výsledný obraz ihned k dispozici v podobě datového souboru –
softwarová úprava
u CCD združovánı́ pixelů – zvýšenı́ kapacity, zrychlenı́ vyčı́tánı́
u CMOS windowing – vyčı́tánı́ jen části matice
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
137 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Proces detekce
Detekce – elektronová excitace
Eν = hν = hc/λ ≥ Eg
Kritická vlnová délka λc
λc =
hc
1.24
≈
[µm]
Eg
Eg [eV ]
pro Si je Eg =1.12 eV, tedy λc =1.11 µm
detekce delšı́ch vlnových délek – nevlastnı́ polovodič
Kvantová účinnost η
závisı́ na λ
pro Si pod 400 nm může být η > 100 % (elektronový mrak)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
138 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Proces detekce
Vlastnosti kamer
Citlivost S
S=
eλη
hc
[A/W] nebo S =
ληAp
hc
h
e−
µJcm2
i
, kde Ap - plocha pixelu
Absorbčnı́ koeficient α
pro Si je 1/α400 nm = 0.2 µm, 1/α650 nm = 3.33 µm
Rekombinačnı́ čas τ
mimo ochuzenou oblast velice krátký
závisı́ na čistotě a přı́měsı́ch
povrchové rekombinace v důsledku poruch a nečistot na rozhranı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
139 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Proces detekce
Ztráty × signál
odraz na povrchu (Fresnelovy
vztahy)
absorpce
odraz
signál
rekombinace
průchod
absorbce krycı́mi materiály –
ochrána CCD proti degradaci,
barevné filtry, elektrody
excitace elektronu v nebo
poblı́ž ochuzené oblasti
sběrná oblast
ochuzená vrstva
e
excitace a následná
rekombinace mimo ochuzenou
oblast, průchod
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
krycí vrstva
elektrody
Detekce světla
e
e
substrát
140 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Proces detekce
Tenčený CCD čip osvětlený zezadu
beze ztrát na kontaktech a krycı́m
filmu
zvýšenı́ citlivosti, posun ke
kratšı́m vlnovým délkám
substrát vyleštěn na tloušt’ku 10
až 15 µm
náročná a drahá technologie
Relativní kvantová účinnost
Thinned back-illuminated CCD
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
200
Zadní
Přední
osvětlení
400
600
800
1000
Vlnová délka [nm]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
141 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Vlastnosti CCD
Šum CCD
δ=
q
2
δreadout
SNR =
+
2
δdark
+
2
δsignal
ηµ
ηµ
=q
δ
2
δreadout
+ Ndark + ηµ
2
/η
Ideálnı́ CCD: µ δreadout
Počet šumových elektronů
δreadout Odečı́tacı́ šum, důsledek zesı́lenı́ a konverze náboje na napětı́,
roste s rychlostı́ CCD (slow scan CCD)
δdark Termálnı́ šum, důsledkem termálnı́ch excitacı́ (Ndark ), klesá s
teplotoup
δdark = Ndark , Ndark ≈ 10 na pixel za s pro 20◦ C
krátké expozice, termoelektrické chlazenı́ → Ndark 1
√
δsignal Šum světelného signálu, neodstranitelný, δsignal = ηµ
o
-25 C
o
-65 C
40
30
20
10
8
1
10
100
1000
Čas [s]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
142 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Kapacita pixelu Qw
Vlastnosti CCD
Full well capacity
Qw = C0 (Vg − VT ), C0 = Aκ0 0 /χ0
A plocha pixelu (typicky 15x15 µm2 )
κ0 pro SiO2 hodnota 4.5
χ0 tloušt’ka SiO2 (typicky 0.1 µm)
Vg napětı́ na elektrodě
VT meznı́ napětı́ pro vytvořenı́ potenciálové jámy
Vg − VT ≈ 3 V
C0 ≈ 10−13 F → Qw je v řádu milionu elektronů
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
143 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Vlastnosti CCD
Prostorové rozlišenı́
velikost pixelu
prostorové rozloženı́ (oblast mezi pixely nepřizpı́vajı́cı́ k signálu)
kvalita zobrazovacı́ soustavy
mı́sto dopadu a velikost světelného signálu
matematický popis: funkce přenosu modulace (MTF) a kontrastu
(CTF)
software korigujı́cı́ doostřenı́, kompenzace rozloženı́ bodové
události ve vı́ce pixelech
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
144 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Vlastnosti CCD
1.0
10 m
20 m
CCD
MTF
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
20
40
60
80
100
Čar/mm
Binning
– zmenšenı́ rozlišenı́
+ vyššı́ dynamický rozsah, rychlejšı́
odečet, lepšı́ SNR
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
145 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Způsoby snı́mánı́ obrazu CCD
Bodové snı́mánı́
rozlišenı́ úměrné kroku a rozlišenı́ detektoru,
stejné charakteristiky pro celý obraz, nepřesnost
v určenı́ pozice, jen statické obrazy
Lineárnı́ snı́mánı́
jednoduššı́ pohybový aparát, velikost a rozloženı́
pixelů omezuje rozlišenı́ v x, skenery,
spektrometry, satelity
x
y
obraz
x
y
obraz
Plošné snı́mánı́
omezené rozlišenı́ velikostı́ pixelů, různé charakteristiky pixelů
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
146 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Architektury plošných CCD
Metody přenosu náboje mezi jednotlivými pixely
FF Full-Frame transfer
FT Frame Transfer
IL Interline transfer
dalšı́ Frame Interline transfer, Accordian, Charge Injection,
MOS XY adresovánı́
FF, FT a IL lze použı́t i pro lineárnı́ CCD
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
147 / 168
Snı́mánı́ obrazu CCD
paralelní registr
FF
Full-Frame transfer
malá operačnı́ i výrobnı́ náročnost
zacloněnı́ paralelnı́ho registru po dobu
vyčı́tánı́ (mechanická uzávěrka nebo
synchronně pulznı́ osvětlenı́), jinak
rozmazánı́ (smearing)
FT
Frame transfer
dva identické paralelnı́ registry, jeden
zacloněný
....
...
...
...
...
..
paralelní taktování
Maticové detektory CCD a CMOS
sériový registr
... ... ... ... ... ... ... ... výstupní
sériové taktování
zesilovač
....
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
..
obrazová část
ukládací sekce
po expozici rychlý přesun (ms) do ukládacı́
sekce, potom pomalé vyčı́tánı́ zároveň s
dalšı́ expozicı́
čtecí registr
... ... ... ... ... ... ... ...
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
148 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
obrazová část
IL
Interline transfer
kryté ukládacı́ sloupce mezi
světlocitlivými pixely
přesun náboje v ukládacı́m
sloupci metodou FF zárověň s
načı́tánı́m dalšı́ho snı́mku
eliminace rozmazánı́, rychlá
elektronická uzávěrka
ukládací sloupce
....
...
...
...
...
..
čtecí registr
... ... ... ... ... ... ... ...
menšı́ světlocitlivá plocha →
matice mikročoček (jen pro kolmé
osvětlenı́)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
149 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Způsoby vyčı́tánı́ IL CCD
progresivnı́ všechny řádky matice popořadě
prokládaný vyčı́tánı́ zvlášt’ sudých a lichých řádků, potřeba jen
polovina ukládacı́ch pixelů, televiznı́ přenos
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
150 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Techniky přenosu náboje na čipu CCD
pixel tvořı́ kontakty (dopovaný Si) na polovodiči (Si) oddělené
izolantem (SiO2 )
napětı́ na kontaktech tvořı́ potenciálové jámy (vyššı́ napětı́) a
bariéry (nižšı́ napětı́)
excitované elektrony jsou zachycovány v potenciálových jamách
změnou napětı́ přepı́nánı́ mezi potenciálovou jámou a bariérou →
pohyb náboje na čipu
techniky: čtyřfázová (4Φ), třı́fázová (3Φ), pseudo-dvoufázová
(P2Φ), pravá dvoufázová (T2Φ), virtuálnı́ fáze (VΦ)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
151 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
4Φ – čtyřfázová
Snı́mánı́ obrazu CCD
3Φ – třı́fázová
3 kontakty na pixel
4 kontakty na pixel
dva tvořı́ jámu, dva bariéru
ob jeden kontakt překlopenı́
napětı́
přesun o pixel ve čtyřech
krocı́ch
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
2+1 střı́davě jáma a bariéra
(housenka)
méně kontaktů → většı́
hustota pixelů a rozlišenı́
složitějšı́ časovánı́, přesun o
pixel v šesti krocı́ch
Detekce světla
152 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
T2Φ – pravá dvoufázová
P2Φ – pseudo-dvoufázová
4 kontakty na pixel, po dvou
stejné napětı́
ob jeden kontakt podsazen
materiál snižujı́cı́ potenciál →
nakloněná jáma
1 kontakt na pixel
materiál snižujı́cı́ potenciál
jen pod částı́ elektrody
velká hustota pixelů
přesun o pixel ve dvou krocı́ch
jednoduššı́ časovánı́ ale
složitějšı́ konstrukce
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
153 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
VΦ – virtuálnı́ fáze
pixel tvořı́ jeden kontakt a mezera (velká hustota)
3 různé materiály postupně snižujı́cı́ potenciál
většı́ propustnost světla (citlivost v UV)
přesun o pixel ve dvou krocı́ch změnou vysokého napětı́
(problémy s časovou stálostı́)
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
154 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Konverze náboje na napětı́
1
vynulovánı́ plovoucı́ho difůznı́ho senzoru resetovacı́ elektrodou →
referenčnı́ hodnota napětı́
2
přenesenı́ náboje z poslednı́ho pixelu sériového registru
3
docházı́ ke změně potenciálu, po odečtenı́ reference → signál
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
155 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Odtokové kanálky
Přetékánı́ náboje
Snı́mánı́ obrazu CCD
Overflow Drain
Blooming
překročenı́ kapacity pixelu v
důsledku přeexpozice, nejsnáze ve
směru paralelnı́ho posuvu
VOD vertikálnı́ obvod přetečenı́
LOD laterálnı́ obvod přetečenı́
+ možnost elektronické uzávěrky
– omezenı́ kapacity pixelu, zhoršená linearita
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
156 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Vertikálnı́ obvod přetečenı́
Laterálnı́ obvod přetečenı́
– předpětı́ na substrát
– odvedenı́ přebytečného náboje
do hloubky
– OD vedle sloupce pixelů
– zmenšenı́ aktivnı́ plochy
odtok hradlo
U
VO
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
157 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Detekce kratšı́ch vlnových délek
tenčené čipy osvětlené zezadu (FF a FT, nelze VOD)
pokrytı́ CCD čipu fosforem – průhledný nad 450 nm, osvětlen UV
emituje ve VIS, snı́žené rozlišenı́ v důsledku rozptylu
Vysokorychlostnı́ CCD
rychlost CCD omezena zesilovačem na čipu, zrychlenı́ → většı́
energie → lokálnı́ ohřevy, snı́ženı́ uniformity
řešenı́m je rozdělit čip na vı́ce bloků s paralelnı́m vyčı́tánı́m →
složitějšı́ zpracovánı́
dalšı́ zrychlenı́ limitováno časovačem na čipu, šum v důsledku
kapacitnı́ho chovánı́ CCD
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
158 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Snı́mánı́ obrazu CCD
Vady CCD čipů
znečištěnı́ povrchu nebo vady ve struktuře (přı́měsy)
Tmavé pixely horšı́ odezva jak 75% průměru
Horké pixely přeexponovány v důsledku temného
proudu (vı́c jak 50x)
Pasti zachycujı́ posouvané elektrony, těžko
odhalitelné (až od 200 elektronů)
Flat field nehomogennı́ odezva v různých
mı́stech čipu
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
159 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Skládánı́ expozic
Snı́mánı́ obrazu CCD
Stretching
– softwarové sečtenı́ vı́ce expozic s kratšı́ expozicı́
– kompenzace nedostatečného dynamického rozsahu CCD
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
160 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Barevné snı́mánı́
Barevné snı́mánı́
Si CCD čipy jsou monochromatické, změnu podle vlnové délky
nelze odlišit od změny v intenzitě
použitı́ filtrů pro záznam informace o barvě (VIS)
RGB Red, Green, Blue, někdy navı́c L (Light)
celková propustnost 1/3
CMY Cyan, Magenta, Yellow
celková propustnost 2/3, M je obtı́žné vyrobit
kompenzace na spektrálnı́ ciltivost oka
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
161 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Barevné snı́mánı́
Sekvenčnı́ snı́mánı́
– vı́ce expozic přes barevné filtry RGB
(LRGB)
– potřeba delšı́ čas, mechanické součástky
a softwarové zpracovánı́
obraz
barevné
filtry
G
.
B R
CCD
3 čipy
– chromatický hranol rozdělı́ světlo na
barevné složky nebo achromatický hranol a
barevné filtry (zráta 2/3 intenzity)
– softwarové zpracovánı́
– čipy mohou mı́t různé vlastnosti →
zhoršenı́ věrnosti obrazu
obraz
dělič
svazků
CCDR
R
G
.
B
CCDG
CCDB
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
162 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Barevné snı́mánı́
Integrované filtry na čipu – Bayerova maska
– na pixely při výrobě naneseny RGB nebo CMY filtry
– zachovánı́ rozlišenı́ v jasové složce, prostorové klesne na 1/4
– interpolace barevné informace ze sousednı́ch pixelů
– filtry nelze odstranit, nelze snı́mat za úzkopásmovými filtry, nelze
združovat pixely
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
163 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Barevné snı́mánı́
Foveon X3
záznam barevné informace podle hloubky, ve které foton excituje
elektron
odečet počtu fotonů v různých hloubkách
zachováno rozlišenı́ ale menšı́ kapacita pixelů
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
164 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Porovnánı́ CCD a CMOS
Porovnánı́ CCD a CMOS
Kvantová účinnost
Citlivost
Šum
Uniformita za světla
Uniformita za tmy
Rychlost
CCD
CMOS
CCD
–
CCD
CMOS
lepšı́ pokrytı́ světlocitlivou plochou
zesı́lenı́ přı́mo na čipu
u CMOS přispı́vá elektronika na čipu
obě platformy srovnatelné
u CMOS různé zesı́lenı́ u pixelů
zpracovánı́ na čipu, paralelita
CCD
dynamický rozsah, elektronická
uzávěrka (IL), změna rychlosti a
dynamického rozsahu, združovánı́
pixelů, nelineárnı́ analogové
zpracovánı́, možnost přetečenı́
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
CMOS
elektronická uzávěrka neuniformnı́
a uniformnı́, windowing, řı́zenı́
napětı́ a časovánı́, méně
energeticky náročné, menšı́ úniky,
spolehlivé, možnost integrace
Detekce světla
165 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Scientific CCD iKon
Scientific CCD iKon (Andor) I
tenčená CCD osvětlená zezadu
termoelektrické chlazenı́ (až -100◦ C)
malý odečı́tacı́ šum
16-bitový A/D převodnı́k s velkým dynamickým rozsahem
1.0
0.9
Kvantová účinnost
0.8
0.7
0.6
UVB
BU2
BRD
BV
FI
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Vlnová délka [nm]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
Detekce světla
166 / 168
Maticové detektory CCD a CMOS
Scientific CCD iKon
Scientific CCD iKon (Andor) II
Model
Rozlišenı́
Velikost pixelu [µm]
Obrazová oblast [mm]
Typ senzoru
Kapacita pixelu [e− ]
Rychlost vyčı́tánı́
Odečı́tacı́ šum [e− ]
Temný proud [e− /pixs]
Haderka, Černoch (RCPTM/SLO)
DZ436
DZ432
2048 x 2048
1250 x 1152
13 x 13
22.5 x 22.5
27.6 x 27.6
28.1 x 25.9
BV, FI
BV, FI, UV
100 000
400 000
1MHz, 500kHz, 66kHz, 31kHz
7.5
12
0.0002
0.0005
Detekce světla
DU937N (FT)
512 x 512
13 x 13
6.6 x 6.6
BV, FI, UV, BU2
100 000
2.5MHz, 50kHz
10
0.0002
167 / 168