Fotonika Félvezető detektorok

1. FotonikaFélvezető detektorok Dr. Kovács Gábor BME Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék http://www.mogi.bme.hu

2. Fény (foton) hatására elektromos válaszjelet produkálnak Működési elv alapján Kvantum detektorok: E=hn, 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 Fotodetektorok

3. 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 Vezetési sáv WC Tiltott sáv WG Valencia sáv WV Energiaszintek a félvezetőkben

4. 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: hn > Wg. A határhullámhossz: Vezetési sáv WC Tiltott sáv WCD WG WVA Valencia sáv WV A p-n átmenet

5. 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 i photo félvezető Fotoellenállások

6. Idióda Ud Megvilágított p-n átmenet • A foton hatására a p-n átmenetben töltés szétválasztás történik • A határhullámhossz: • Ge:1.85 mm • Si: 1.12 mm • Három működési régió • Fotofeszültség, fényelem • Zárófeszültség tartomány • Lavina tartomány

7. 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 Idióda i photo hn Rt u photo hn Ud Fényelemek

8. Zárófeszültség üzemre tervezett p-n átmenetek Lineáris eszköz A terhelőellenállás mellett is! A fotoáram a sötétáramra szuperponálódik PIN diódák Kicsi kapacitás Gyors működés Idióda Ud hn p réteg i-réteg n réteg Fotodiódák

9. Fotodióda áramkörök • Precíziós fényméréshez • Rövidzár • Terhelőellenállás • Nagy sebességhez • Előfeszítés • Kis kapacitás • PIN diódák

10. 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!

11. CCD vonaldetektor felépítése Órajel CCD shift register Video Transfer Foto dióda Kapacitás Gnd

12. Töltésmozgatás • Az integrálás alatt keletkező elektronok összegyűlnek a „potenciál gödörben” • A kiolvasás alatt az elektródák „mozgatják” a potenciálgödröt • A kiolvasási hatásfok 99.999%

13. Vonal vagy mátrix elrendezés Detektor geometria Pixelszám (512*512, 640*480, 4k*4k) Pixelméret (7.4*7.4mm, 12*14mm,24*24mm) 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 kamerák jellemzői

14. CCD kamera struktúra (full frame transfer)

15. Smearing hatás

16. a b c d e f g h i j k l a b c d a a e b b f c c g d h d i e e f f j g k g l h h i j j k k l l i i 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

17. a b c d e f h i g Interline transfer CCD • Több párhuzamos vonaldetektor • Közöttük és legalul shift regiszterek • Előnyök • Kis chip méret • Alacsony smearing • Hátrányok • Drágább technológia • Kis apertúra

18. 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

20. 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

21. 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

22. Színes CCD kamera 3 chip

23. Szűrőváltók

24. Szűrőváltók

25. CCD Struktúrák

26. 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.

27. 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:

29. 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

30. 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

31. Flat korrekció • Flat kép készítése • Integrálógömb • Dome-flat • Twilight flat • Optikai inhomogenitások • Cos4 korrekció • Por, szennyeződés • Detektor inhomogenitás