ˇ
Detekce svetla
Ondˇrej Haderka
ˇ
Anton´ın Cernoch
´ ı Centrum Pokroˇcil´ych Technologi´ı a Material
´ u˚
Regionaln´
ˇ
´ AV CR
Spoleˇcna´ Laboratoˇr Optiky UP a FZU
CZ.1.07/2.3.00/09.0042
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
1 / 168
Obsah I
1
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
Polovodiˇce
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
2
ˇ
Zdroje svetla
ˇ ı zdroju˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Elektromagneticke´ spektrum
Lasery
Elektroluminiscence v polovodiˇc´ıch
3
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
ˇ ı
Rozdelen´
Lidske´ oko
Fotografie
4
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
2 / 168
Obsah II
Fotoodpory
Fotodiody
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
5
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
´
Uˇzit´ı fotonasobiˇ
cu˚
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
6
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
Uvod
Proces detekce
Vlastnosti CCD
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´ ı
Barevne´ sn´ıman´
´ ı CCD a CMOS
Porovnan´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
3 / 168
Obsah III
Scientific CCD iKon
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
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
´ sky
R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Feynmanovy pˇrednaˇ
z fyziky s ˇreˇsen´ymi pˇr´ıklady Fragment, Praha, 2007
Hamamatsu Photonics K. K., Photomultiplier tubes, third edition
Hamamatsu Photonics K. K., 2006
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
5 / 168
´
Uvod
Obsah
1
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
Polovodiˇce
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
2
ˇ
Zdroje svetla
3
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
4
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
5
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
6
Maticove´ detektory CCD a CMOS
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
6 / 168
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
´
´ ren´ı
Energeticke´ charakteristiky elektromagnetickeho
zaˇ
´ SI
Radiometrie absolutn´ı, v jednotkach
´
´
Fotometrie relativn´ı vzhledem k citlivosti lidskeho
oka popˇr. jineho
´
receptoru, ve vedlejˇs´ıch jednotkach
´ ren´ı
Zdroj zaˇ
Radiant source
ˇ
Sveteln´
y zdroj
Light source
´
´ ıch principu˚ emituje
objekt, kter´y na zaklad
eˇ ruzn´
˚ ych fyzikaln´
´ ren´ı
elektromagneticke´ zaˇ
´
Bodov´y zdroj ploˇsnou velikost lze zanedbat vzhledem k vzdalenostem
Ploˇsn´y zdroj ploˇsnou velikost nelze zanedbat
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
7 / 168
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
Veliˇciny I
´ ı zavislost
´
Spektraln´
veliˇcin na frekvenci ν
´
resp. vlnove´ delce
λ
´ ı pˇres cele´ spektrum →
pˇreintegrovan´
´ eˇ nezavisl
´
spektraln
e´ veliˇciny
´ riva´ energie – Q [J=m2 kg/s2 ]
Zaˇ
Radiant energy
´ pˇrenesena´ nebo pˇrijata´
– energie vyslana,
ˇ
Sveteln
e´ mnoˇzstv´ı – 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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
8 / 168
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
Veliˇciny II
´ rive´ energie – w [J/m3 ]
Hustota zaˇ
Radiant energy density
´ rive´ energie v jednotkovem
´ objemu
– mnoˇzstv´ı zaˇ
´ riv´y tok – Φ =
Zaˇ
dQ
dt
[W]
Radiant power
– v´ykon (energie za cˇ as) vyslan´y, pˇrenesen´y nebo pˇrijat´y
v
ˇ
Sveteln´
y tok – Φv = dQ
Luminous flux
dt [lm]
´
1 W = 683 lm pro λ = 555 nm (maximum zrakoveho
vjemu)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
9 / 168
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
Veliˇciny III
´ ı–M=
Intenzita vyzaˇrovan´
dΦ
dS
[W/m2 ]
Radiant excitance
´ riv´y tok emitovan´y z jednotkove´ plochy zdroje
– zaˇ
2
v
ˇ
Svetlen´
ı – Mv = dΦ
Luminous excitance
dS [lm/m ]
´ rivost – I =
Zaˇ
dΦ
dω
[W/ster]
Radiant intensity
´ riv´y tok emitovan´y do jednotkoveho
´
´
– zaˇ
prostoroveho
uhlu
´
v
[cd
=
lm/ster]
Luminous
intensity
Sv´ıtivost – Iv = dΦ
dω
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
10 / 168
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
Veliˇciny IV
pozorovatel
´r – L =
Zaˇ
I
dS cos θ
[W/ster·m2 ]
Radiance
´ rivost jednotkoveho
´
ˇ eho
´
– zaˇ
povrchu viden
pod
uhlem
θ
´
2
v
Jas – Lv = dS Icos
θ [nit = cd/m ] Luminance
s
dS co
dS
Example (Zdroje jasu v nitech)
Slunce v zenitu
modra´ obloha
zamraˇcena´ obloha
ˇ ıc
Mes´
noˇcn´ı obloha
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
1.6 · 109
8 000
40
2 500
5 · 10−5
plamen sv´ıcˇ ky
rub´ınov´y laser
atomova´ bomba
ˇ
hvezda
Sirius
ˇ
Detekce svetla
5 000
1018
1012
1.5 · 1010
11 / 168
´
Uvod
´ veliˇciny
Radiometricke´ (fotometricke)
Veliˇciny V
´ ren´ı – E =
Intenzita ozaˇ
dΦ
dS ,
[W/m2 ]
Irradiance
´ riveho
´
– mnoˇzstv´ı zaˇ
toku dopadaj´ıc´ıho na jednotkovou plochu
dΦv
ˇ
Illuminance
Osvetlen´
ı – Ev = dS , [lx = lm/m2 ]
ˇ
Example (Zdroje osvetlen´
ı v luxech)
Slunce v zenitu
poledne ve st´ınu
zamraˇcena´ obloha
Expozice – H =
Rt
0
100 000
10 000
100 aˇz 1 000
ˇ ıc v upl
ˇ
Mes´
´ nku
ˇ ıcˇ na´ noc
bezmes´
tmava´ noc
E(t)dt, [J/m2 ]
0.2
0.001
0.0001
Radiance exposure
´ ren´ı jednotkov
– ozaˇ
e´ plochy za dan´y cˇ asov´y interval
Rt
Osvit – Hv = 0 Ev (t)dt, [lx·s]
Light exposure
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
12 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
Pojmy
´ riˇc
Lambertovsk´y (kosinov´y) zaˇ
´ rivost je konstantn´ı pro vˇsechny uhly
zaˇ
pohledu, M = π · L,
´
Φ = 4πR 2 M = 4π 2 R 2 L
ˇ
ˇ
Absolutneˇ cern
e´ teleso
´ ren´ı, vyzaˇruje na
absorbuje veˇskere´ dopadaj´ıc´ı elektromagneticke´ zaˇ
´ ach
´ podle teploty
ruzn´
˚ ych vlnov´ych delk
ˇ
´ riˇc
sˇ ede´ teleso,
selektivn´ı zaˇ
´
Kirchhofuv
˚ zakon
´
ˇ
na jiste´ vlnove´ delce
je absorbce i emise telesa
stejna´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
13 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
Historick´y v´yvoj
´
´ ı – M = σT 4
Stefanuv-Boltzman
uv
vyzaˇrovan´
˚
˚ zakon
ˇ teoreticky
1879, σ = 5.67 · 10−8 W/(m2 K4 ), odvozen empiricky, pozdeji
´
podloˇzen zakony
termodynamiky, bezkontaktn´ı urˇcen´ı efektivn´ı teploty
ˇ
telesa
´
Wienuv
– λmax [µm] = 2898/T
˚ posunovac´ı zakon
´
1893, vlnova´ delka
maxima vyzaˇrovac´ı kˇrivky, pyrometry k urˇcen´ı tzv.
ˇ
barevne´ teploty svetla
´
Rayleighuv-Jeans
uv
– Mλ =
˚
˚ zakon
2π 3 ckT
λ4
1900, Boltzmannova konst. k = 1.380662 · 10−23 J/K, ultrafialova´
katastrofa
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
14 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
´ ı intenzita vyzaˇrovan´
´ ı cˇ erneho
´
ˇ
Spektraln´
telesa
´
Planckuv
˚ zakon
´
1900, kvanta elektromagnetickeho
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]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
15 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
Geometrie
plocha zdroje
poloúhel zorného pole
optické soustavy
S
Sz
detektor
prostorový úhel
plocha zdroje
v zorném poli
Sa
plocha
optické
soustavy
d
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
16 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
´ ı propustnost
Spektraln´
Propustnost
TP prostˇred´ı
TO opticke´ soustavy
TF filtru˚
100
Optick´y v´ykon na detektoru:
90
uzk
´ a´ 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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
10
0
650
700
750
800
850
900
950
1000 1050 1100
Vlnova delka [nm]
17 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
´
Example (Zˇ arovka)
ˇ optick´y v´ykon Pd dopadaj´ıc´ı na kruhovou plochu r = 2 mm
Vypoˇctete
´
ˇ
´
´ rivem
´ toku
(zornice oka) vzdalenou
d = 1 m od sveteln
eho
zdroje o zaˇ
´
Φ = 2 W (100 W zˇ arovka).
´ riˇc, tedy Φ = 4πI.
Pˇredpoklad: Zdroj je Lambertovsk´y zaˇ
ˇ sen´ı
Reˇ
I=
Φ
4π ,
S = πr 2 ,
V´ysledek: Pd =
Ω=
S
d2
2·4·10−6
4·1
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
⇒
Pd = ΩI =
Φr 2
4d 2
W = 2 µW.
ˇ
Detekce svetla
18 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
ˇ
ˇ
Example (Cern
e´ teleso)
ˇ
ˇ R = 1 m a teploty T = 1000 K je
Kulove´ cˇ erne´ teleso
polomeru
´
´
sledovano
detektorem ze vzdalenosti
d = 1000 m.
´ vstupn´ı apertura o polomeru
ˇ 5 cm
Detekˇcn´ı system
´
polouhel
zorneho
pole ζ = 0.1◦
´
´
´
uˇ
systemu
TO = 50%
´ cinnost optickeho
´
λ0 = 1µm s sˇ ´ıˇrkou pasma
1% (∆λ = 10−8 m)
1
ˇ
´ r Lλ a Lν v rovineˇ detektoru
Vypoˇctete
zaˇ
2
energii dopadaj´ıc´ı na detektor
3
poˇcet fotonu˚ dopadaj´ıc´ıch na detektor za
sekundu
4
ˇ ı, jestliˇze bude cˇ erne´ teleso
ˇ
Co se zmen´
m´ıt
ˇ 10 m m´ısto 1 m?
polomer
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
19 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
´ r Lλ a Lν v rovineˇ detektoru
1. Zaˇ
Lλ (λ) =
2hc 2
hc
λ5 e λkT − 1
ˇ
Haderka, Cernoch
(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
ˇ
Detekce svetla
W
m2 ster
· Hz
20 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
2. Energie dopadaj´ıc´ı 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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
Sa
plocha
optické
soustavy
d
ˇ
Detekce svetla
21 / 168
´
Uvod
´
´ ı
Zakony
vyzaˇrovan´
3. Poˇcet fotonu˚ dopadaj´ıc´ıch na detektor za sekundu
Efotonu =
hc
= hν E1µm = 1.99 · 10−19 J
λ
→ 4.19 · 1011 fotonu/s
˚
ˇ
ˇ
ˇ 10 m
4. Cern
e´ teleso
polomeru
S = 314 m2 , Sz = 9.57 m2 , Sz < S ⇒ Sz
ˇ ı
L se nezmen´
P = 2.53 · 10−8 W
1.28 · 1012 fotonu/s
˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
22 / 168
´
Uvod
Polovodiˇce
Vlastnosti polovodiˇcu˚
´
meziˇclanek
mezi vodiˇci a izolanty
´
energeticke´ hladiny atomu urˇcuj´ı hladiny materialu
´ u˚ – vodivostn´ı a valenˇcn´ı,
energeticke´ hladiny zdruˇzeny do pas
´ zakazan´
´
mezi nimi pas
ych energi´ı s sˇ ´ıˇrkou Eg
Pauliho vyluˇcovac´ı princip
´
´
nosiˇce naboje
– elektron ve vodivostn´ım pasu,
d´ıra (absence
´
elektronu) ve valenˇcn´ım pasu
ˇ eho
´
´ vnejˇ
ˇ s´ım zdrojem (napˇr. dopad
excitace elektron-derov
paru
´ ren´ı fotonu
fotonu hν > Eg ), rekombinace → vyzaˇ
´ ı rovnovaze
´ izolant, tepelne´ excitace, vodivost vzrust
v termaln´
˚ a´ s
poˇctem excitovan´ych nosiˇcu˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
23 / 168
´
Uvod
Polovodiˇce
Pˇr´ım´y a nepˇr´ım´y pˇrechod
ˇ hybnosti hk → vhodn´y
Pˇr´ım´y excitace a rekombinace bez zmeny
´
´
material pro zdroje zaˇren´ı
ˇ
Nepˇr´ım´y u rekombinace nutna´ zmena
hybnosti → detektory
a) Přímý přechod
E
b) Nepřímý přechod
E
Relaxace
E2
Ec
Eg
Ev
E1
h
h
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
k
ˇ
Detekce svetla
k
24 / 168
´
Uvod
Polovodiˇce
Polovodiˇcove´ 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
ˇ Si a Ge, nepˇr´ım´y pˇrechod
IV skupina, nejˇcasteji
ˇ
III+V, napˇr. GaN (mala´ Eg → detekce v IC)
ˇ ı mˇr´ızˇ kove´ konstanty
2xIII+V nebo III+2xV, laden´
2xIII+2xV, v´ıce stupnˇ u˚ volnosti
30
48
49
50
51
52
Cd
In
Sn
Sb
Te
80
6 Hg
82
Pb
ˇ
Haderka, Cernoch
(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]
´ ı
Elementarn´
´ ı
Binarn´
´ ı
Ternarn´
´ ı
Kvaternarn´
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]
ˇ
Detekce svetla
25 / 168
´
Uvod
Polovodiˇce
Dopanty
Polovodiˇce z IV skupiny – 4 valenˇcn´ı elektrony, ktere´ zd´ıl´ı se sousedy v
´ e´ volne´ nosiˇce
mˇr´ızˇ ce – plna´ valenˇcn´ı slupka → zˇ adn
ˇ atomu˚ polovodiˇce ze skupin III nebo V do
Dopant mala´ pˇr´ımes
polovodiˇce ze skupiny IV
ˇ z V, pˇrebytek voln´ych elektronu,
Donor pˇr´ımes
˚ n-typ
ˇ z III, pˇrebytek voln´ych der,
ˇ p-typ
Akceptor pˇr´ımes
ˇ ı
Intrinsick´y polovodiˇc bez pˇr´ımes´
ˇ
Extrinsick´y polovodiˇc s pˇr´ımesemi
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
26 / 168
´
Uvod
Polovodiˇce
Ochuzená vrstva
p
injekce minoritn´ıch nosiˇcu˚ (−
´ ern
ˇ e´ napet´
ˇ ı,
na p-typ) – zav
´ y proud
mal´y ustalen´
Koncentrace
nosičů
injekce majoritn´ıch nosiˇcu˚ (+
na p-typ) – i ≈ exp(V )
Energie elektronu
ˇ nuje
ˇ
p-n dioda usmer
elektrick´y
proud
. . . .
...........................
- ++
-+
-
n
....................... E
. .eV . .
f
0
p(x)
n(x)
x
p-i-n dioda – sˇ irˇs´ı ochuzena´ oblast
´ ı energii – bariery
´
heteropˇrechod – napˇr. p-p-n, skoky v potencialn´
´
´
nebo jamy
(narazov
a´ ionizace)
´ s velkou Eg – transparentn´ı pro svetlo
ˇ (okenko)
´
material
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
27 / 168
´
Uvod
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
Kvantova´ uˇ
´ cinnost η
Quantum efficiency
ˇ
´
Pravdepodobnost,
zˇ e jeden foton da´ vzniknout nosiˇci naboje,
kter´y
ˇ k proudu v detektoru.
pˇrispeje
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
ˇ
Haderka, Cernoch
(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
ˇ
Detekce svetla
0.02
0.1 0.2
0.5
1
Energie [eV]
28 / 168
´
Uvod
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
η = (1 − R)ξ(1 − e−αd ), 0 ≤ η ≤ 1
´
R odraz na vstupn´ım rozhran´ı, antireflexn´ı vrstvy, cˇ iste´ materialy,
dobr´y povrch → mala´ rekombinace
ˇ ze vzduchu
pro kolm´y dopad svetla
R=
(n − 1)2 + (α(λ)λ/4π)2
(n + 1)2 + (α(λ)λ/4π)2
ξ pod´ıl nosiˇcu,
˚ ktere´ pˇrisp´ıvaj´ı k proudu detektorem
´ rezonator
´
d tlouˇst’ka materialu,
´ ı zavislost
´
Spektraln´
η(λ) – dlouhovlnn´y limit λc = hc/Eg
Example (Kˇrem´ık 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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
29 / 168
´
Uvod
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
´ u˚
Absorbˇcn´ı koeficienty ruzn´
˚ ych material
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]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
30 / 168
´
Uvod
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
Citlivost S (R)
Responsivity
ˇ elektrickeho
´
Pomer
proudu v obvodu detektoru ip ku intenziteˇ
ˇ P.
dopadaj´ıc´ıho svetla
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 velka´ λ pokles S kvuli
˚ η(λ), pro velka´ P – saturace
λ0
Detektory s vnitˇrn´ım ziskem G = qe → S = Gηe
hν = Gη 1.24
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
31 / 168
´
Uvod
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
Doba odezvy
Response time
´ ı cˇ asov´y interval, po kterem
´ detektor zaznamena´ zmenu
ˇ v
Minimaln´
ˇ
dopadaj´ıc´ı intenzite.
Rozˇs´ıˇren´ı doby pruchodu
TTS
(Transition Time Spread)
˚
´ ı el. polem × narazy
´
Driftova´ rychlost – urychlovan´
v atomove´
mˇr´ızˇ ce
v = τcol a = τcol eE/m = µE
a zrychlen´ı a = eE/m
m efektivn´ı hmotnost elektronu resp. d´ıry
ˇ kolizemi
τcol stˇredn´ı doba mezi dvemi
µ pohyblivost elektronu resp. d´ıry
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
32 / 168
´
Uvod
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
Ramouv
˚ vztah – i(t) = −Qv (t)/w, v polovodiˇc´ıch ve > vh
´
Pˇrenos naboje
1e: q = e vwh vx + e vwe w−x
ve = e
h
RC konstanta – prodloˇzen´ı 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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
0
i(t)
ˇ
Detekce svetla
w/ve
w/vh
t
33 / 168
´
Uvod
´
Zakladn´
ı obecne´ vlastnosti detektoru
ˇ vhodneho
´
V´yber
detektoru
ˇ signalu
´ k sˇ umu (Signal to noise ratio),
SNR Pomer
´ (idealn
´ eˇ jen statisticke´
oscilace v´ystupn´ıho signalu
fluktuace vstupn´ıch fotonu)
˚
´ ı zavislosti
´
Linearita (Linearity), odchylka od linearn´
mezi
vstupem a v´ystupem
´ z spektraln´
´ ı sˇ ´ırˇka pasma,
´
Dynamick´y rozsah (Dynamical range), teˇ
ˇ mezi minimaln´
´ ı a maximaln´
´ ı intenzitou
pomer
´ kterou lze zmeˇ
ˇ rit beze ztraty
´ informace
signalu,
´ ı odezva (Spectral response), zavislost
´
´
Spektraln´
na vlnove´ delce
´ ren´ı
dopadaj´ıc´ıho zaˇ
ˇ ırˇka pasma
´
´
S´
(Spectral range) rozsah vlnov´ych delek,
pro ktere´
ma´ detektor nenulovou citlivost, maximum citlivosti
pro λp
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
34 / 168
ˇ
Zdroje svetla
Obsah
1
´
Uvod
2
ˇ
Zdroje svetla
ˇ ı zdroju˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Elektromagneticke´ spektrum
Lasery
Elektroluminiscence v polovodiˇc´ıch
3
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
4
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
5
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
6
Maticove´ detektory CCD a CMOS
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
35 / 168
ˇ
Zdroje svetla
ˇ ı zdroju˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
ˇ ı zdroju˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Teplotn´ı
V´ybojove´
Luminiscenˇcn´ı
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
zˇ havene´ plamenem
´
zˇ havene´ elektricky (ˇzarovky,
obloukova´ lampa)
´ sveteln
ˇ
´ sloupci (v´ybojky Hg, Ne, Xe)
v kladnem
em
´
´ svetle
ˇ doutnavem
´ (doutnavky)
v zaporn
em
´
´ ren´ım plynu˚ (zaˇ
´ rivky,
pevne´ latky
buzene´ zaˇ
flourescenˇcn´ı v´ybojky)
´
´ ren´ım
pevne´ latky
buzene´ radioaktivn´ım zaˇ
elektroluminiscence
´
ˇ (lasery)
kvantove´ generatory
svetla
ˇ
Detekce svetla
36 / 168
ˇ
Zdroje svetla
Elektromagneticke´ spektrum
´
Oblasti elektromagnetickeho
spektra I
´
´
´
Radiov
a´ km-0.1 m, anteny,
TV, radio,
mobily
´ ym
Mikrovlnna´ 100-1 mm, magnetron nebo diody, molekuly s dipolov´
momentem, mikrovlnka, Wi-fi, radar
ˇ – 1000-10 µm, rotaˇcn´ı mody
´ a´ IC
´ molekul a
vzdalen
Infraˇcervena´
fonony
ˇ –10-2.5 µm, tepelne´ zaˇ
´ ren´ı
stˇredn´ı IC
ˇ – 2.5-0.75 µm, podoneˇ jako VIS
bl´ızka´ IC
´ ren´ı hvezd,
ˇ
Viditelna´ (VIS) 750-380 nm, maximum zaˇ
energeticka´
´
vzdalenost
elektronov´ych hladin atomu˚
´ ren´ı, sterilizace
Ultrafialova´ (UV) 380-10 nm, ionizuj´ıc´ı zaˇ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
37 / 168
ˇ
Zdroje svetla
Elektromagneticke´ spektrum
´
Oblasti elektromagnetickeho
spektra II
ˇ
Rentgenova´ (X) 10-0.1 nm, neutrinove´ hvezdy
a akreaˇcn´ı disky
ˇ prochaz´
´ ı pˇredmety
ˇ
cˇ ern´ych der,
´ r´ı radioizotopy
Gama (γ) menˇs´ı jak 0.1 nm, vytvaˇ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
38 / 168
ˇ
Zdroje svetla
Elektromagneticke´ spektrum
Informaˇcn´ı okna
Voln´y prostor
´
´ ohyb, ruˇsen´ı atmosferick´
´
Radiov
e´ vlny – odraz od atmosfery,
ymi
jevy
Bl´ızka´ infraˇcervena´ oblast
´
Opticka´ vlakna
´
kˇrem´ıkova´ vlakna
– 830 nm, 1300 nm, 1550 nm
´ ı, 0.01 dB/km
flouridova´ a chalkogenn´ı skla – sˇ irokospektraln´
´
´ ıch kanal
´ u˚ 20 nm
multiplexace – vzdalenost
spektraln´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
39 / 168
ˇ
Zdroje svetla
Lasery
´
Pevnolatkov
e´ lasery
V´yhody
Nev´yhody
´ zˇ ivotnost,
v´ykon/pˇr´ıkon, v´ykonne,
menˇs´ı udrˇzba
3+
Nd :YVO4
ˇ
kvalita svazku, roˇzsˇ tepen´
ı → sˇ irˇs´ı
´
emisn´ı cˇ ara
3+
Ti :Al2O3
1.5
1.0
2
0.5
1
0.0
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
0
0.0
ˇ
Detekce svetla
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
ˇ
Zdroje svetla
Plynove´ lasery
Disperzní
hranol
´ podle
uzk
´ e´ cˇ ary
´
vzdalenosti
hladin
aktivn´ıho 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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
41 / 168
ˇ
Zdroje svetla
Elektroluminiscence v polovodiˇc´ıch
Princip elektroluminiscence
E
ˇ a´ rekombinace
elektron-derov
E2
injekce minoritn´ıch nosiˇcu˚ do p-n
pˇrechodu
Ec
Eg
dlouhovlnn´y limit λG = hc/EG
Ev
E1
intern´ı a extern´ı η
h
k
´
Materialy
kombinace prvku˚ z III a V skupiny s pˇr´ım´ym pˇrechodem
GaAs (λG = 873 nm), AlInGaN (250-366 nm),
AlInGaP (600-650 nm), InGaAsP (549-3440 nm)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
42 / 168
ˇ ıˇrka zakazan
´
´
´
S´
eho
pasu
´ u˚
polovodiˇcov´ych material
´
Vlnova´ delka
polovodiˇcov´ych laseru˚
ˇ
Zdroje svetla
Elektroluminiscence v polovodiˇc´ıch
Polovodiˇcove´ zdroje
LED
Light emitting diodes
´ ı, jen spontann´
´ ı emise, b´ıle´ LED – kombinace LED
slabe´ cˇ erpan´
ˇ e,
ˇ zeleneˇ a modˇre
sv´ıt´ıc´ıch cˇ erven
SLD
Superluminiscent diodes
´ ı, laserovan´
´ ı zabran
´ eno
ˇ
silne´ cˇ erpan´
antireflexemi, zdroj
´ ren´ı
nekoherentn´ıho zaˇ
LD
Laser diodes
´ ı, podpora stimulovane´ emise rezonatorem
´
ˇ
silne´ cˇ erpan´
(steny
polovodiˇce)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
44 / 168
ˇ
Zdroje svetla
Elektroluminiscence v polovodiˇc´ıch
´ ı spekra LED a laserove´ diody
Porovnan´
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]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
45 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Obsah
1
´
Uvod
2
ˇ
Zdroje svetla
3
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
ˇ ı
Rozdelen´
Lidske´ oko
Fotografie
4
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
5
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
6
Maticove´ detektory CCD a CMOS
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
46 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
ˇ ı
Rozdelen´
Fotonove´ detektory
´
reakce pˇr´ımo na jednotlive´ fotony → excitace nosiˇce naboje
→
ˇ
´
´
chemicka´ reakce nebo zmena
elektrickeho
proudu nebo jen znasoben´
ı
´
poˇctu nosiˇcu˚ naboje
Fotoefekt
´
ˇ
´
fotony excituj´ı nosiˇce naboje
→ zmena
vodivosti materialu
ˇ eho
´
´
´
Vnitˇrn´ı v polovodiˇci, excitace elektron-derov
paru,
nosiˇce naboje
´ hν > Eg
zustavaj´
ı v materialu,
˚
ˇ s´ı fotoelektronova´ emise, elektron energi´ı fotonu vytrˇzen do
Vnejˇ
´
volneho
prostoru, hν > W popˇr. hν > Eg + χ
NEA – negativn´ı elektronova´ afinita (χ < 0)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
47 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
ˇ ı
Rozdelen´
ˇ s´ı a vnitˇrn´ı fotoefekt I
Vnejˇ
a)
- Volný elektron
Nejbližší vyšší pás
Vakuum
b)
W
- Volný elektron
c)
Vakuum
Vodivostní pás -
W
h
Fermiho h
hladina
Vodivostní pás kovu
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
h
Eg
+
+
Valenční pás polovodiče
48 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
ˇ ı
Rozdelen´
ˇ s´ı a vnitˇrn´ı fotoefekt II
Vnejˇ
ˇ s´ı fotoefekt
Vnejˇ
Fotonka
´
´ ı emise, zes´ılen´ı aˇz 107
Fotonasobiˇ
c sekundarn´
´
MCP mikrokanalkov´
y zesilovaˇc, prostorove´ rozliˇsen´ı
Vnitˇrn´ı fotoefekt
ˇ
´ s intenzitou dopadaj´ıc´ıho zaˇ
´ ren´ı
Fotoodpor zmena
vodivosti materialu
ˇ ych par
´ u˚ v ochuzene´ oblasti p-n
Fotodioda excitace elektron-derov´
pˇrechodu
ˇ ı → excitace dalˇs´ıch
APD lavinova´ fotodioda, urychlovac´ı napet´
´
nosiˇcu˚ narazovou
ionizac´ı
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
49 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
ˇ ı
Rozdelen´
Ostatn´ı typy detektoru˚
´ ı detektory
Termaln´
ˇ
ˇ
´
absorbce fotonu˚ → zmena
teploty → zmena
vlastnost´ı materialu
ˇ sinou elektrick´ych)
(vetˇ
pomala´ odezva (10−3 s)
bolometry a spol.
Koherentn´ı detektory
ˇ velikosti elektrickeho
´
´ moˇznost
reakce na zmenu
pole signalu,
´ dopadaj´ıc´ıch fotonu˚
urˇcen´ı faze
ˇ po radio
´
IC
homodynn´ı detekce
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
50 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Lidske´ oko
Lidske´ oko
Viditelna´ oblast
– 400-700 nm (VIS)
– 100-315 nm se absorbuje v
rohovce a komorove´ vodeˇ
ˇ do 1400 nm projde na
– bl´ızka´ IC
s´ıtnici (moˇzne´ poˇskozen´ı)
´ v rohovce
– delˇs´ı λ asborbovany
Proces detekce
dopad fotonu excituje elektron v
ˇ – nervov´y vzruch
barvivu bunky
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
51 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Lidske´ oko
S´ıtnice
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
52 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Lidske´ oko
Tyˇcinky
ˇ ıpky
C´
barvivo rodopsin
maximum citlivosti 510 nm
ˇ ı za sˇ era
120 mil., neostre´ viden´
ˇ 1:16:32
barviva B, G a R v pomeru
spolu max. citlivosti na 555 nm
ˇ sina ve zˇ lute´ skvrneˇ
7 mil., vetˇ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
53 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Lidske´ oko
Intenzitní odezva
´ ı maximum R okolo 400 nm → fialova´ m´ısto modre´
lokaln´
subjektivn´ı vjem oka ∼ log(Φ)
´ u˚ v intenziteˇ
adaptace pro rozd´ıl 11 ˇrad
pupila – r = 2 mm pro 10000 lx, r = 6 mm pro 1 lx
400
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
500
600
ˇ
Detekce svetla
700
[nm]
54 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Fotografie
Princip fotografie
´
Zaznam
dopad fotonu na halid stˇr´ıbra (AgBr, AgCl, AgBrI) → Ag + Br
ˇ ı Ag z kryst. mˇr´ızˇ ky, stabiln´ı cˇ erne´ zarodeˇ
´
uvolnen´
cne´ centrum Ag2
uˇ
´ cinnost 1-5%
´ ı
Vyvolan´
ochranný želatinový povrch
chemick´y proces
redukce AgBr na Ag
´
3Ag katalyzatorem
zes´ılen´ı 108 - 1011
ˇ ı AgBr
odstranen´
10-20 fotonu/zrno
–
˚
50% zˇ e zˇcerna´
´ ı zaznam
´
binarn´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
zrna halidu stříbra
v želatinovém pojivu
dělící vrstva
sklo nebo plast
izolární vrstva
ˇ
Detekce svetla
55 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Fotografie
´ ı odezva
Spektraln´
Detekce UV
zˇ elatina absorbuje pod 300 nm →
zrna na povrchu
Detekce delˇs´ıch λ
excitace v´ıce fotony pˇres
mezihladiny
ˇ ı zrn barvivy
zcitliven´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
Absorpční koeficient [1/cm]
Energie [eV]
pro AgBr je W = 2.81 eV,
→ λg = 440 nm
10
6
10
10
4
3
AgBr
AgCl
5
4
10
10
5
3
2
10
1
250
300
350
400
450
500
Vlnová délka [nm]
ˇ
Detekce svetla
56 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Fotografie
Charakteristicka´ kˇrivka
Hustota zčernalých zrn
1. Hrub´y sˇ um
neodstraniteln´y, i bez expozice,
´
´
nahodn´
y vznik zarodeˇ
cn´ych center
2. Podexpozice
regenerace AgBr (Schwarzchilduv
˚
ˇ a´ zrna),
jev), T-krystaly (zploˇstel
zchlazen´ı, nasycen´ı vod´ıkem
´ ı oblast
3. Linearn´
kontrast γ = tan θ klesa´ s velikosti
zrn
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
4
3
2
1
log(H)
4. Pˇreexpozice
saturace
ˇ
Detekce svetla
57 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Fotografie
´
´
Vlastnosti fotografickeho
zaznamu
Rychlost
doba expozice potˇrebna´ pro urˇcitou hustotu zˇcernal´ych zrn
ˇ s´ı t´ım rychlejˇs´ı
hola´ zrna – cˇ ´ım vetˇ
ˇ a´ barvivem – reakce jen na povrchu → zploˇsten´
ˇ ı
zrna zcitlivel
velikost zrna ∼ λ → difrakce → zpomalen´ı
´ nˇ s ionty Ag
pro zrychlen´ı – zchladit, pˇredexpozice nebo laze
Rozliˇsen´ı
´ na mm
v cˇ arach
ˇ y velikosti zrn, x10 aˇz 100 kvuli
um
´ ern´
˚ rozptylu
ˇ
Sum
´
neroste s delkou
expozice ani s teplotou (v´yhoda oproti CCD)
ˇ
´ an´
´ ı je zanedbateln´y
chemick´y sum pˇri vyvolav
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
58 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Fotografie
Barevna´ 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
ˇ sen´ı dynamickeho
´
v´ıce vrstev pro zvetˇ
rozsahu (aˇz 1:106 ),
´
´ s fixn´ı zav
´ erkou
ˇ
jednorazov
e´ fotoaparaty
´ ı nahrazena azurov´ym
vrstva nav´ıc citliva´ na modrou, pˇri vyvolan´
´
barvivem, zaznam
v´ıce odpov´ıda´ vjemu oka
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
59 / 168
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
Fotografie
´
Dokonal´y zaznam
barevne´ informace
Gabriel Lippmann
´
1894 – prvn´ı metoda zaznamu
barevne´ fotografie
1908 – Nobelova cena za fyziku
fotograficka´ emulze s rozliˇsen´ım 2-3 tis. cˇ ar/mm
ˇ ı → periodicka´ expozice, perida um
ˇ a´ λ
stojate´ vlnen´
´ ern
Obraz nebo bílé osvětlení
Tekutá rtuť
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
Skleněná deska
Fot. emulze
Zrcadlo
60 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Obsah
1
´
Uvod
2
ˇ
Zdroje svetla
3
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
4
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotoodpory
Fotodiody
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
5
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
6
Maticove´ detektory CCD a CMOS
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
61 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Vnitˇrn´ı fotoefekt
´ materialu
´ v oblasti bez voln´ych nosiˇcu˚
detekce v polovodiˇcovem
(velk´y odpor)
dopad fotonu (hν > Eg ) excituje elektron (−e) do vodivostn´ıho
´
´ a´ d´ıra (+e)
pasu,
na jeho m´ısteˇ zust
˚ av
- Vodivostní pás
ˇ
´ nebo
zmena
vodivosti materialu
´
pohyb nosiˇcu˚ vlivem elektrickeho
pole → elektrick´y proud v obvodu
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
h
Eg
+
Valenční pás polovodiče
ˇ
Detekce svetla
62 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotoodpory
Fotoodpory
Photoconductors
ˇ y teploteˇ → nenulova´ vodivost
za tmy poˇcet voln´ych nosiˇcu˚ um
´ ern´
´ σ
dopadaj´ıc´ı fotonov´y tok Φ → zv´ysˇ en´ı vodivosti materialu
´ polovodiˇcoveho
´
Material
detektoru
´ cˇ ist´y polovodiˇc bez pˇr´ımes´
ˇ ı, jen
Vlastn´ı intristicke,
´
mezipasov
e´ pˇrechody
´ dopovan´y polovodiˇc, pˇrechody z donorove´
Nevlastn´ı extrinsicke,
nebo akceptorove´ hladiny
Heterostruptury vrstvy ruzn
˚ eˇ dopovan´ych polovodiˇcu,
˚ kvantove´
´ a jamy
´
bariery
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
63 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Vlastn´ı fotoodpory
Fotoodpory
Intrinsic photoconductors
´
absorpce fotonu˚ jen d´ıky mezipasmov´
ym pˇrechodum,
hν > Eg
˚
´
tvar a vzdalenost
elektrod – minimalizace doby pruchodu
˚
´ osvetlen´
ˇ
´ na kontaktech
pruhledn´
y substrat
y zezadu, beze ztrat
˚
h
Elektrody
Polovodič
Izolátor
h
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
64 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotoodpory
Rychlost generace R
V
∆n
ηΦ
=
wA
τ
∆n koncentrace a τ doba zˇ ivota
h
R=
A
+
ip
ˇ
Zmena
vodivosti ∆σ
ηeτ (µe + µh )
Φ
wA
- pohyblivosti elektronu a d´ıry
∆σ =
w
µe,h
´
Ohmuv
˚ zakon
Jp = ∆σE, ip = AJp → ip = ηeτ (µe + µh )ΦE/w
ve,h = µe,h E – stˇredn´ı rychlost nosiˇcu˚
τe,h = w/ve,h – stˇredn´ı doba pruchodu
nosiˇcu˚
˚
ˇ sinou vh ve → ip ≈ ηeΦτ /τe
vetˇ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
65 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotoodpory
Zisk G = τ /τe → ip ≈ ηeΦG
´ nosiˇcu˚ pˇrispeje
ˇ k proudu, zbytek
pokud τ < τe je G < 1 – jen cˇ ast
´
zrekombinuje, konstrukce – mala´ vzdalenost
kontaktu˚ × velikost
ˇ
svetlocitliv
e´ plochy
´
´ ı kontinuity proudu
Zakon
zachovan´
je-li vh ve dojde elektron na kontakt dˇr´ıv neˇz d´ıra → nov´y elektron z
´
´ ı dokud nedojde k
druheho
kontaktu, pruchod
polovodiˇcem, opakovan´
˚
ˇ y poˇctu
rekombinaci nebo d´ıra nedojde na kontakt, zisk um
´ ern´
pruchod
u˚ elektronu polovodiˇcem
˚
Example (Zisk fotoodporu)
´ od 10−13 s
w=1 mm, ve = 107 cm/s → τe ≈ 10−8 s, τ podle materialu
ˇ
´ velk´y rozsah zisku 10−5 –109 ,
po nekolik
sekund. Volbou materialu
6
´ eˇ ale jen 10 – omezen´ı hustotou proudu, narazovou
´
maximaln
ionizac´ı
a prurazem
dielektrika
˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
66 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotoodpory
´ u˚ I
Vlastnosti material
´
Material
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
´ ı citlivost
Spektraln´
´ ı na η materialu,
´ dlouhovlnn´y limit dan
´ Eg
zavis´
slitina Hgx Cd1−x Te ma´ Eg ∈ [1.55, 0] eV → λc ∈ [800, ∞] nm
(HgTe je kov)
posun λc podle teploty o 5 aˇz 10%, nad 2 µm chlazen´ı
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
67 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotoodpory
´ u˚ II
Vlastnosti material
Citlivost
ˇ a´ G a η, tvar a velikost kontaktu,
ˇ ı aˇz po prurazn
um
e´
´ ern
˚ pˇredpet´
˚
´ ust
(potom fluktuace vodivosti, nar
˚ sˇ umu, destrukce)
´ s velkou τ (nepˇr´ım´y pˇrechod, vysoka´ cˇ istota bez
materialy
rekombinaˇcn´ıch center)
Doba odezvy
´ ı na τe,h a RC konstanteˇ
zavis´
R=
w2
Aκ0 ε0
, C=
,
ηeΦτ (µe + µh )
w
ε0 = 8.854 · 10−12 F/m
´
τ ∼ G ale τ ∼ 1/B, B – sˇ ´ıˇrka pasma
(rychlost odezvy), GB ≈ 109
1
mezn´ı frekvence 2πτ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
68 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Nevlastn´ı fotoodpory
Fotoodpory
Extrinsic photoconductors
´
excitace elektronu z donorove´ hladiny do vodivostn´ıho pasu,
´
vazan
a´ d´ıra
´
´
excitace d´ıry z akceptorove´ hladiny do valenˇcn´ıho pasu,
vazan´
y
elektron
ˇ s´ı pravdepodobnost
ˇ
´ ı excitace – chlazen´ı aˇz na 4 K
vetˇ
termaln´
Absorbˇcn´ı koeficient α(λ) = σi (λ)N1
σi (λ) – fotoionizaˇcn´ı pruˇ
˚ rez, N1 – koncentrace dopantu
´
koncentrace N1 limitovana
rozpustnost´ı (1016 –1021 /cm3 ) a
´
´ ustem
neˇzadouc´
ım nar
vodivosti (1015 –1016 /cm3 )
˚
´ oproti vlastn´ım
absorpˇcn´ı koeficient menˇs´ı cca o tˇri rˇady
ˇ sen´ı objemu
polovodiˇcum
˚ → zvetˇ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
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
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotoodpory
Heterostruktury
´ e´ jamy
´
vrstven´ı ruzn
˚ eˇ dotovan´ych polovodiˇcu˚ → potencialov
´ (AlGaAs)
(GaAs) a bariery
QWIP Quantum-well a QDIP quantum-dot infrared photodetector
´ (stressed) – naruˇsen´ı krystalove´ mˇr´ızˇ ky, sn´ızˇ en´ı
stlaˇcen´y material
excitaˇcn´ı energie
Komerˇcn´ı fotoodpory Tesly Blatna´ a.s.
Typ
M0856 20
P0860 200
K0772 10
Vmax [V]
250
320
150
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
Pmax [mW]
125
125
125
λsmax [nm]
560
600
720
ˇ
Detekce svetla
R10lx [kΩ]
13...27
130...260
6.5...13.5
Rmin [MΩ]
2
50
10
71 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Fotodiody
Photodiodes
Princip
´ s velkou vodivost´ı nelze pouˇz´ıt jako fotoodpory
materialy
´ eˇ excitovan´ych majoritn´ıch
p-n rozhran´ı – selektivn´ı pˇresun termaln
nosiˇcu,
˚ elektrony do n a d´ıry do p-typu, kde rekombinuj´ı
´ Vb )
vnitˇrn´ı elektricke´ pole (kontaktn´ı potencial
ochuzena´ oblast bez voln´ych nosiˇcu˚
´ y rozd´ıl
mimo ochuzenou oblast zanedbateln´y potencialov´
´
´
(relativneˇ velka´ vodivost dotovaneho
materialu)
´
´
jen mezipasmov
e´ pˇrechody majoritn´ıho cˇ isteho
polovodiˇce
ˇ
excitovan´y elektron a d´ıra se pohybuj´ı opaˇcn´ym smerem
d´ıky
´
vnitˇrn´ımu elektrickemu
poli
ˇ
´ ren´ım
zmena
vodivosti pˇrechodu s dopadaj´ıc´ım zaˇ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
72 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
p-n fotodiody
´ ern
ˇ e´ napet´
ˇ ı (kladne´ na
zav
´ u,
n-typ) → seˇcten´ı potencial
˚
ˇ sen´ı ochuzene´ oblasti,
zvetˇ
ˇ sen´ı odporu, zmenˇsen´ı
zvetˇ
kapacitance
h
i
i = is e(eV /kT ) − 1 − ip
Energie elektronu
p
Koncentrace
nosičů
proud ip = ηeΦ a citlivost
i
eη
podobneˇ jako u
S = Pp = hν
fotoodporu
Ochuzená vrstva
. . . .
...........................
p(x)
- ++
-+
-
n
.................. E
. .eV . .
f
0
n(x)
x
is – saturovan´y proud
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
73 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Oblasti absorpce podle transportu nosiˇcu˚
1
2
3
´
ochuzena´ oblast, transport vlivem vnitˇrn´ıho elektrickeho
pole
´
v bezprostˇredn´ı bl´ızkosti ochuzene´ oblasti muˇ
˚ ze nosiˇc naboje
´
nahodn
eˇ dodriftovat do oblasti s elektrick´
y
m
polem,
koeficient
p
´
difuze
Le,h = De,h τe,h [cm]
˚ De,h [cm2 /s], difuzn´
˚ ı delka
´
ˇ s´ı jak Le,h nepˇrispej´
ˇ ı nosiˇce k proudu ve vnejˇ
ˇ s´ım
ve vzdalenosti
vetˇ
obvodu
Fotony
3
0
-
+
p
2
1
+
-
2
-
+
+
3
+
n
ip
U
Elektrické pole E
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
74 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Doba odezvy
´ ı na τe,h a RC konstanteˇ stejneˇ jako u fotoodporu
zavis´
nav´ıc doba difuze
˚ nosiˇcu˚ vznikl´ych mimo ochuzenou oblast
´ fotodiod s mezn´ı vlnovou delkou
´
Materialy
diamantove´ vrstvy
GaN
Alx Ga1−x AsSb
GaInAs
InAs
Hg1−x Cdx Te
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
230 nm
370 nm
0.75-1.7 µm
1.65 µm
3.4 µm
1-15 µm
ˇ
Detekce svetla
Alx Ga1−x N
GaP
Si
Ge
InSb
200-370 nm
520 nm
1.1µm
1.8 µm
6.8 µm
75 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Elektricke´ zapojen´ı I
´
´
ˇ ı na kontaktech), v
1 na prazdno
– zv´ysˇ en´ı elektrickeho
pole (napet´
´ ıch cˇ lanc´
´ ıch, citlivost ve V/W
solarn´
´
ˇ r´ı se fotoproud ip
2 na kratko
– pˇr´ıme´ spojen´ı, meˇ
i
i
ip
Up
0
is
=0
0
Up1 Up2 U
is
=0
1
1
2
2
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
-ip1
U
-ip2
76 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Elektricke´ zapojen´ı II
´ ern´
ˇ ym napet´
ˇ ım
3 se zav
´ ern´
ˇ ym napet´
ˇ ım s odporem v serii
´
4 se zav
i
i
RL
i
UB
i
-UB
UB
-UB
U
U
-UB/RL
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
77 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
p-i-n fotodiody
Ochuzená vrstva
p
sn´ızˇ en´ı C ale prodlouˇzen´ı τe,h
ˇ mezi difuzn´
menˇs´ı pomer
˚ ıa
´
driftove´ vzdalenosti
→
rychlejˇs´ı odezva
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
+
+
+
Energie elektronu
ˇ s´ı svetlocitliv
ˇ
vetˇ
a´ oblast
i
n
Elektrické pole
Elektrické Hustota vázaného
náboje
pole
vlastn´ı nebo slabeˇ dotovan´y
polovodiˇc mezi p a n-typ → sˇ irˇs´ı
ochuzena´ vrstva
-
ˇ
Detekce svetla
Ec
Ev
+
x
x
78 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Vlastnosti p-i-n
1.0
Ideální Si fotodioda
Typické Si
fotodiody
}
Citlivost
´
´ – maximum S
nepˇr´ım´y zakazan´
y pas
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
ˇ s´ı sˇ ´ıˇrkou zakazan
´
´
´ – pruhledn
´
vrstva s vetˇ
eho
pasu
e´ okenko
˚
AlGaAs/GaAs – 700-780 nm
Inx Ga1−x As/InP – 1.3-1.6 µm, η ∼ 75%, S ∼ 0.9 A/W
ˇ ı, komunikace
Hgx Cd1−x Te/CdTe – 3-17 µm, noˇcn´ı viden´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
79 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
´
Fotodiody s Schottkyho barierou
heteropˇrechod kovu a polovodiˇce, majoritn´ı nosiˇce
´ ych λ
tenka´ ochuzena´ oblast pobl´ızˇ povrchu – detekce kratk´
rychla´ odezva (ps), mala´ RC konstanta (mal´y odpor kovu)
Polovodič
W-
Ec
Ef
+
Kov
+
Kov
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
-
ˇ
Detekce svetla
Polovodič
Ev
80 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Technicke´ parametry komerˇcn´ıch fotodiod
λp pro maximum citlivosti
RSH odporov´y boˇcn´ık
CJ kapacitance pˇrechodu
ˇı
VBIAS pˇredpet´
´
fBW sˇ ´ıˇrka pasma
fBW = 2πR 1 CJ
LOAD
ˇ ı na zat
´ eˇ
ˇ zovem
´ odporu
Vout napet´
Vout = Popt S(λ)RLOAD
ID temn´y proud
NEP (noise equivalent√power)
noise
[W/ Hz]
NEP = δISG
Inoise sˇ umov´y proud
´ ı+temn´y+signaln´
´ ı+ziskov´y)
(termaln´
G zisk transimpedanˇcn´ıho zesilovaˇce
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
aktivn´ı oblast
rozsah
detekovan´ych
´
vlnov´ych delek
mezn´ı frekvence
mez linearity
´ zniˇcen´ı
prah
´
´ eˇ
ˇ zne´ a
delka nab
ˇ zne´ hrany
ub
´ eˇ
impulzu
(tR ≈ 0.35/fBW )
81 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Lavinove´ fotodiody
Fotodiody
APD – Avelanche photodiodes
-
p
´ ern
ˇ e´ napet´
ˇ ı na p-n
zav
pˇrechodu velike´ →
´
narazov
a´ ionizace, lavinove´
´
´
nasoben´ı nosiˇcu˚ naboje
3
+ h
+
Urychlení elektronu
-
1
Excitace
+
Urychlení díry
Excitace
-2
+
n
Ec
Eg
Ev
x
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
82 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
ˇ
Koeficient ionizace a ionizaˇcn´ı pomer
ˇ [1/cm]
αe,h koeficient ionizace elektronu˚ a der
roste s elektrick´ym polem
klesa´ s teplotou
ˇ K = ααeh
K ionizaˇcn´ı pomer
αh αe , K 1, excituj´ı jen elektrony, lavina z p do n
αh αe , K 1, excituj´ı jen d´ıry, lavina z n do p
αh ≈ αe , K ≈ 1, excituj´ı oba nosiˇce, zv´ysˇ en´ı zisku ale delˇs´ı
´
odezva (menˇs´ı sˇ ´ıˇrka pasma),
v´ıce sˇ umov´y, nestabiln´ı,
´ ıho prurazu
moˇznost lokaln´
a poˇskozen´ı detektoru
˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
83 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
SAM APD
Fotodiody
Separate Absorption-Multiplication APD
ˇ
u APD velikosti svetlocitliv
e´ plochy × multiplikaˇcn´ı oblasti
´ u˚ s mal´ym K
z material
ve velke´ slabeˇ dotovane´ oblasti (π) elektricke´ pole male´ na
´
narazovou
ionizaci – detekce
uzk
´ a´ multiplikaˇcn´ı oblast s velk´ym elektrick´ym polem – lavine´
zes´ılen´ı
+
+
p
p n
+
Hustota náboje
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
x
Elektrické pole
ˇ
Detekce svetla
84 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Zisk APD
Je(w)
K = 0 → Je (x) = Je (0)eαe x
Jh(x)
G = e αe w
ˇ
multiplikace elektronu˚ i der,
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 = ∞
→ nestabiln´ı situace, moˇznost
zniˇcen´ı detektoru
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
w
=1
= 0.5
x
=0
10
ˇ
Detekce svetla
0
0
1
2
3
ew
85 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y 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]
´
Materialy
podobneˇ jako u p-i-n fotodiod
Si 700-900 nm, K mezi 0.1 a 0.2 ale i 0.006
ˇ s´ı K i citlivost, stˇredn´ı sˇ um,
InGaAs 1.3-1.6 µm, vetˇ
ˇ ı 105 V/cm
pracovn´ı napet´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
86 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
Doba odezvy APD
1
2
doba pruchodu
ochuzenou vrstvou sˇ ´ıˇrky wd
˚
doba driftu pobl´ızˇ ochuzene´ vrstvy
3
RC konstanta
4
´
´
charakteristicka´ doba lavinoveho
nasoben´
ı τm
τ=
wd
w
+ d + τm
ve
vh
pro K = 0 je horn´ı limit τm =
multiplikaˇcn´ı oblasti
wm
ve
+
0 < K < 1 a G 1, potom τm ≈
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
wm
vh ,
GKwm
ve
ˇ
Detekce svetla
kde wm je sˇ ´ıˇrka
+
wm
vh
87 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
´
APD v Geigeroveˇ modu
– jednofotonove´ APD
´ z´ı zaznamenat dopad jednotliv´ych fotonu˚
dokaˇ
´ ı, navad
´ en´
ˇ ı satelitu,
pro zobrazovan´
˚ kvantova´ informatika
´ ı – dopadl foton × nedopadl foton
binarn´
ˇ ı, dopad fotonu → velka´ lavina, nutne´ aktivn´ı cˇ i
nadprurazn
e´ napet´
˚
´ sen´ı
pasivn´ı zhaˇ
´ detekce, cˇ istota materialu
´
samovolna´ (temna)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
88 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Fotodiody
´ jednofotonov´ych APD
Materialy
Si 0.4-1 µm, ηmax ≈ 75%, temne´ detekce <100/s, rychle´ (50
´ sen´ı)
ns aktivn´ı zhaˇ
InGaAs/InP 1.3-1.6 µm, ηmax ≈ 20%, temne´ detekce 5 000/s,
pomalejˇs´ı
Ge a Si-Ge pro telekomunikaˇcn´ı oblast 1.3-1.6 µm
ˇ do 4 µm detektor s absorbˇcn´ı oblast´ı z InAsSb,
pro IC
´ z GaSb
multiplikaˇcn´ı oblast z AlGaAsSb na substratu
´ a nehostinnemu
´
GaN a SiC pro UV, SiC odoln´y velk´ym teplotam
prostˇred´ı
´
lepˇs´ı kvantova´ uˇ
sˇ ´ırˇky pasma
´ cinnost na ukor
´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
89 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
´
Generovan´y elektrick´y proud i je nahodn
a´ veliˇcina
ip = ηeΦ = SP,
σi2 = h(i − ip )2 i
Zdroje sˇ umu
1
2
3
4
5
6
ˇ sinou Poissonovo rozdelen´
ˇ ı
Fotonov´y sˇ um – dopadaj´ıc´ı fotony, vetˇ
Fotoelektronov´y sˇ um – vˇzdy pro η < 1
ˇ
´
Sum
zisku – u fotoodporu˚ a APD zisk nahodn´
y
ˇ
ˇ s´ıho obvodu – odpory, kapacitory atd.
Sum
vnejˇ
ˇ
ˇ e´ svetlo
ˇ z nesledovan´ych zdroju,
Sum
pozad´ı – neodst´ınen
˚
´ ı zaˇ
´ ren´ı objektu˚
termaln´
´
Temn´y sˇ um – nahodn
a´ generace nosiˇcu˚ tepelneˇ nebo
´ ım
tunelovan´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
90 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
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
ˇ ruj´ıc´ı sˇ um
Veliˇciny pomeˇ
ˇ signalu
´ k sˇ umu, SNR = ip2 /σi2 SNR = np2 /σn2 , minimaln´
´ ı
SNR Pomer
´ ma´ SNR = 1
detekovan´y signal
F Faktor zv´ysˇ en´ı sˇ umu (Excess noise factor), F = hG2 i/hGi2
BER Chybovost na bit informace (Bit errorr rate)
´ ı Φ pro urˇcitou
Citlivost pˇrij´ımaˇce (Receiver sensitivity) minimaln´
hodnotu SNR0 (10-103 ) popˇr. BER (109 )
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
91 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
Fotonov´y sˇ um
´ ren´ı
neodstraniteln´y, charakteristika dopadaj´ıc´ıho zaˇ
´ ren´ı nebo termaln´
´ ı s sˇ ´ıˇrkou spektra > 1/T –
Laserove´ zaˇ
Poissonova statistika
Poissonova statistika (v´ystˇrelov´y sˇ um)
´ ı detekovan´y signal
´
p(n) = (npn e−np )/n!, σn2 = np , SNR = np , minimaln´
je 1 foton
Pˇr´ıklad
´ ı detekovan´y v´ykon 0.16 pW.
pro t = 1 µs a λ = 1.24 µm je minimaln´
3
3
Pro SNR0 = 10 (30 dB) potˇreba 10 fotonu.
˚ Pro t = 10 ns to
odpov´ıda´ 1011 fotonu/s
˚ nebo 16 nW
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
92 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
Fotoelektronov´y sˇ um
´
´ nosiˇcu˚ po dopadu fotonu
Nahodnost
vzniku paru
ˇ
s pravdepodobnost´
ı η vznikne
ˇ
s pravdepodobnost´
ı 1 − η nevznikne
Poˇcet fotoelektronu˚
´
nahodn
a´ veliˇcina
stˇredn´ı hodnota mp = ηnp = ηΦt
´ ren´ı
kop´ıruje statistiku dopadaj´ıc´ıho zaˇ
2 = SNR = m = ηn )
(Poissonova → σm
p
p
fotoelektronov´y a fotonov´y sˇ um nejsou aditivn´ı
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
93 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
ˇ
Sum
fotoproudu I
´
fluktuace elektrickeho
proudu i(t) v obvodu fotodetektoru v
´
´ toku
zavislosti
na dopadaj´ıc´ım fotonovem
zahrnuje fotonov´y a fotoelektronov´y sˇ um, charakteristickou dobu
odezvy a elektricke´ zapojen´ı detektoru
Fotony
t
Fotoelektrony
Proudové
pulzy
Elektrický
proud
(výstřelový
šum)
t
i
p
Plocha e
t
i
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ip
t
ˇ
Detekce svetla
94 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
ˇ
Sum
fotoproudu II
´ ren´ı Φ popˇr. np generuje ηnp = mp fotoelektronu˚ za
dopadaj´ıc´ı zaˇ
1
tr (rozliˇsovac´ı schopnost), tr = 2B
2
fotoproud i(t), ip = mp e/tr , σi2 = (e/tr )2 σm
´ ren´ı
Poissonovske´ dopadaj´ıc´ı zaˇ
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).
´
´ cˇ asovem
´ intervalu tr =
Tedy 310 fotoelektronu˚ je detekovano
v kaˇzdem
´ ı zaznamenateln´y fotonov´y tok je Φ = 2B/η a pro
5 ns. Minimaln´
citlivost pˇrij´ımaˇce SNR0 = 103 dostaneme
Φ = 1000(2B/η) = 2 · 1011 /η fotonu˚ za sekundu.
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
95 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
ˇ
Sum
zisku
Proces zes´ılen´ı
´ y sˇ um nav´ıc
deterministick´y, potom e → q = Ge, zˇ adn´
´
´
nahodn´
y (u fotoodporu, APD i fotonasobiˇ
ce)
2
potom Gp s σG
proud v obvodu ip = eGp ηΦ s σi2 = 2eGp ip BF
Faktor zv´ysˇ en´ı sˇ umu F
F =
hG2 i
hGi2
=1+
2
σG
hGi2
´
F ≥ 1 a roste s nahodnost´
ı zes´ılen´ı
SNR =
ip
2eGp BF
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
=
ηΦ
2BF
=
mp
F
ˇ
Detekce svetla
96 / 168
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
Faktor zv´ysˇ en´ı sˇ umu u APD
´
Injekce nosiˇce naboje
do multiplikaˇcn´ı oblasti APD s K
elektrony K < 1, F = KGp + (1 − K)(2 − 1/Gp )
d´ıry K > 1, F = Gp /K + (1 − 1/K)(2 − 1/Gp )
oba seˇcten´ı vzorcu˚
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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
97 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
h
p
Pˇr´ıcˇ iny sˇ umu zisku APD
1
2
-
Urychlení
Excitace
+
´
nahodnost
m´ısta vzniku
ˇ a´ vazba – excituj´ı oba
zpetn
nosiˇce
--
n
+
Moˇznosti potlaˇcen´ı sˇ umu zisku
´ jen pro wm < 400 nm a mal´y zisk
organizace materialu,
uprava energie injektovan´ych nosiˇcu˚ gradientn´ım polem – redukce
prvn´ı mrtve´ oblasti
´
heterostruktury – skoky v energetick´ych pasech
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
98 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
Obvodov´y sˇ um
´
tepeln´y pohyb nosiˇcu˚ naboje
v odporech a fluktuace v tranzistorech
zesilovaˇce
Tepeln´y sˇ um (Johnsonuv,
˚ Nyquistuv)
˚
´
nahodn
e´ fluktuace proudu pro T > 0
ˇ kT /h = 6.24 THz (T = 300 K) a B kT /h,
je-li frekvence zmen
potom σi2 ≈ 4kTB/R
parametr sˇ umu obvodu σq
σr tr
e
σr
2Be ,
´
σr /e - variance elektronoveho
toku
q
´ odporem – σq = e2kT
obvod limitovan
R B
σq =
=
√
obvod limitovan´y zes´ılen´ım – σq ≈
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
L
B
100
99 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
ˇ signalu
´ k sˇ umu SNR
Pomer
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 )
´ ı poˇcet fotoelektronu˚ mp0 pro urˇcitou hodnotu SNR0 –
minimaln´
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
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
10
100
1000
Gp
mp
ˇ
Detekce svetla
100 / 168
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
ˇ
Sum
fotodetektoru˚
Chybovost BER
”1” – detekce np fotonu˚ × ”0” – bez detekce (0 fotonu)
˚
ˇ y poˇcet fotonu˚ na bit → npa = np /2
prum
˚ ern´
ˇ ı – BER = e−np /2 = e−2npa /2
Poissonovo rozdelen´
´ ı poˇcet fotonu˚ na bit pro BER0 = 10−9
Minimaln´
´ ı detektor
idealn´
Si APD
10
125
InGaAs APD
p-i-n fotodioda
500
6 000
Stˇredn´ı poˇcet fotoelektronu˚ na bit mpa
mpa = 18F +
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
6σq
Gp
101 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
Obsah
1
´
Uvod
2
ˇ
Zdroje svetla
3
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
4
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
5
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
´
Uˇzit´ı fotonasobiˇ
cu˚
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
6
Maticove´ detektory CCD a CMOS
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
102 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
ˇ s´ı fotoefekt (fotoelektronova´ emise)
Vnejˇ
´ kovu
Foton doda´ elektronu takovou energii, zˇ e pˇrekona´ v´ystupn´ı praci
´
´
´ Eg a elektronovou afinitu χ
W popˇr. energii zakazan
eho
pasu
´
polovodiˇce a unikne do vakua.
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
´
fotonasobiˇ
c = fotokatoda + dynody + anoda
dobra´ citlivost a η v UV a VIS, rychl´y cˇ as odezvy, n´ızk´y sˇ um
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
103 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
Historie
Fotokatoda
1887 Hertz, objev fotokatody
1905 Einstein, teoretick´y popis
´
Fotonasobiˇ
c
1902 Austin, povrch pro
´ ı emisi
sekundarn´
1913 Elster a Geitel, prvn´ı
fotoelektricka´ trubice
(fotonka)
1935 Iams a kol., trioda
(fotokatoda+dynoda) pro
zesilovaˇc zvuku filmu
1929 Koller a Campbell,
fotokatoda z Ag-O-Cs, 100x
ˇ s´ı
citlivejˇ
ˇ bialkalicke´ fotokatody pro
pozdeji
ˇ
VIS, multialkalicke´ pro IC,
alkalihalidove´ pro UV,
polovodiˇcove´ s NEA
1936 Zworykin a kol., dalˇs´ı
dynody, transport elektronu˚
elektrick´ym a magnetick´ym
polem
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
1939 Zworykin a Rajchman,
elektrostatick´y fokuzaˇcn´ı
´
fotonasobiˇ
c z Ag-O-Cs a
ˇ z Sb-Cs
pozdeji
ˇ
Detekce svetla
104 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
´
Konstrukce fotonasobiˇ
ce
Fotokatoda
UK U1
Anoda
U2
U3
Dynody
Un
vakuum pro zamezen´ı ztrat a ionizace
´
propustnost okenka
a uˇ
´ cinnost fotokatody
´ ı emise na dynodach
´
sekundarn´
ˇ elektronu na anode,
ˇ proudov´y impulz
sber
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
105 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
´
Okenko
´ krytu, neprodyˇsn´y spoj, pokud je kryt z jineho
´
´
pruhledn
a´ cˇ ast
materialu
˚
1.00
0.70
MgF2 od 115 nm, nen´ı tolik
hydrofiln´ı
UV sklo od 185 nm
0.10
Borosilikátové sklo
0.20
Syntetický křemík
UV sklo
Syntetick´y Si od 160 nm, menˇs´ı
absorpce neˇz taven´y Si,
penetrace He
0.30
MgF2
Safír
Saf´ır (Al2 O3 ) od 150 nm
Propustnost
0.50
0.05
120 140 160
200 240
300
400
500
Vlnová délka [nm]
´ e´ (Kovarove)
´ sklo od 300 nm, teplotn´ı roztaˇznost bl´ızka´
Borosilikatov
´ (vodiˇce), malo
´ 40 K (K-free), scintilaˇcn´ı cˇ ´ıtan´
´ ı
kovarov´ym slitinam
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
106 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
Fotokatoda
ˇ ı fotokatod podle smeru
ˇ elektronove´ emise
Delen´
´ na sklenen
ˇ e´
Transmisn´ı head on, tenka´ vrstva aktivn´ıho materialu
destiˇcce
´ substrat
´ eˇ
Reflexn´ı side on, na kovovem
h
h
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
e
e
ˇ
Detekce svetla
107 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
Kvantova´ uˇ
´ cinnost fotokatody
η(ν) = (1 − R)
1
Pν L
Pν
Ps = (1 − R)
Ps
k 1 + 1/kL
kL + 1
´
R odrazivost materalu
k pln´y absorbˇcn´ı koeficient fotonu˚
ˇ
Pν pravdepodobnost
excitace elektronu do vyˇssˇ ´ı hladiny neˇz vakuove´
L stˇredn´ı unikov
a´ rychlost elektronu˚
´
ˇ
´
Ps pravdepodobnost
uniku
elektronu do vakua
´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
108 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
´ fotokatod
Materialy
´
CsI a CsTe od 200 resp. 300 nm, solar blind, s okenky
z MgF2 ,
´
syntetickeho
Si nebo bez
ˇ s´ı intenzity, mal´y odpor, jen reflexn´ı
Sb-Cs UV a VIS, pro vetˇ
Bialkalicke´ Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, UV a VIS, vysoka´ citlivost, mal´y
temn´y proud
Vysokoteplotn´ı bialkalicke´ Sb-Na-K, UV a VIS, menˇs´ı citlivost,
pracovn´ı teplota aˇz 175◦ C (normal 50◦ C)
Multialkalicke´ Sb-Na-K-Cs, od UV po 900 nm
Ag-O-Cs od 300 po 1 200 nm transmisn´ı, po 1 100 nm reflexn´ı, mala´
citlivost ve VIS
GaAsP(Cs) transmisn´ı ve VIS, velka´ citlivost, degraduje pro velke´
intenzity
´
GaAs(Cs) transmisn´ı od UV po 900 nm, plocha´ zavislost
citlivosti,
degraduje pro velke´ intenzity
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
109 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
´ rive´ citlivosti fotokatod
Zaˇ
Reflexn´ı fotokatoda
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
Transmisn´ı fotokatoda
ˇ
Detekce svetla
110 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
Infraˇcervene´ fotokatody
ˇ v´yborn´y SNR mezi 900 a 1 000 nm
InGaAs(Cs) posunuta´ do IC,
InP/InAsP(Cs), InP/InGaAs(Cs) polovodiˇcov´y p-n pˇrechod, aˇz do 1
700 nm, nutne´ chlazen´ı aˇz na -80◦ C kvuli
˚ sˇ umu
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
111 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
Dynody
primární
elektron
´ – alkalicko antimonove´ slitiny
materialy
´ z
BeO, MgO, GaP, GaAsP na elektrodach
Ni, oceli a CuBe slitin
povrch sekundární emise
elektroda substrátu
100
Poměr sekundární emise
´
´ ı
nasoben´
ı poˇctu elektronu˚ sekundarn´
emis´ı
ˇ e,
´ stupnovit
ˇ
spojita´ (MCP) × oddelen
e´
ˇ ı 100-200 V, poˇcet 1-19
napet´
ˇ sekundarn´
´ ı emise δ
zisk 10-100, pomer
´ ı na materialu
´ a napet´
ˇı
zavis´
´ – δn
zisk na n dynodach
sekundární
elektrony
GaP:Cs
50
K-Cs-Sb
20
Cs3Sb
10
Cu-BeO-Cs
5
2
1
50
100
200
500 1000 2000
Urychlovací napětí [V]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
112 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
Trajektorie elektronu˚
´
draha
elektronu˚ optimalizovana´ numerickou anal´yzou
fokuzace elektronu˚ na dynody
´ ı rozd´ıl cˇ asu˚ pruchodu
minimaln´
elektronu˚
˚
ˇ e´ vazby (iontova,
´ sveteln
ˇ
´
zamezen´ı zpetn
a)
ˇ a´ uˇ
Sbern
´ cinnost α
poˇcet elektronu˚ na pvn´ı dynodeˇ / emitovan´ych z fotokadody
hodnota mezi 60 aˇz 90%
Konstrukce
´ ı na pouˇzit´ı
zavis´
´ box&grid, linearn´
´ ı fokuzovan´y typ a jine´ viz dale
´
kruhova,
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
113 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ fotonasobiˇ
´
Souˇcasti
ce
Anoda
tvar tyˇce, desky nebo s´ıteˇ
ˇ ı pro omezen´ı prostoroveho
´
´
optimalizece napet´
naboje
a
maximalizaci zisku
Periferie (elektronika a kryt)
´
ˇ ı 1-2 kV ± 0.1%
stabilizovan´y zdroj vysokeho
napet´
ˇ ıc´ı napet´
ˇ ı na dynody, anodu a smerovac´
ˇ
obvody rozdeluj´
ı elektrody
ˇ e´ svetlo
ˇ
kryt st´ın´ı elektricke´ a magneticke´ pole, nechten
ˇ
´
ˇ s´ıch vlivu˚ (teplota,
zmena
charakteristik fotonasobiˇ
ce podle vnejˇ
ˇ ı, elemag. pole)
vlhkost, mechanicke´ napet´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
114 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Uˇzit´ı fotonasobiˇ
cu˚
ˇ fotonasobiˇ
´
ˇ
V´yber
ce podle vlastnost´ı svetla
´
´ okenka,
´
Vlnova´ delka
material
maximum citlivosti fotokatody
ˇ ı mezi nimi, analogove´ nebo
Intenzita poˇcet dynod a napet´
´ ı zpracovan´
´ ı signalu
´
digitaln´
ˇ svazku velikost okenka
´
ˇ fotokatody,
Rozmer
a efektivn´ı prum
˚ er
transmisn´ı nebo reflexn´ı fotokatoda
ˇ u˚ rychlost odezvy fotonasobiˇ
´
ˇ
Rychlost dej
ce rychlejˇs´ı neˇz zmena
´ sˇ ´ıˇrka pasma
´
intenzity signalu,
elektroniky
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
115 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Uˇzit´ı fotonasobiˇ
cu˚
Reˇzim cˇ innosti
´ ı, pomala´ zmena
ˇ
´
DC kontinualn´
intenzity signalu
ˇ intenzity signalu
´
AC pulzn´ı, rychle´ zmeny
´ ı fotonu,
´ ı odezva, nastaven´ı diskriminatoru
´
PC cˇ ´ıtan´
˚ binarn´
PMT
.
DC
npF
A/D
PC
vr A/D
PC
PČ
PC
RL
PMT
.
DC
RL
PMT
.
AC
Discr
RL
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
116 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Uˇzit´ı fotonasobiˇ
cu˚
´ ı
Fotonove´ cˇ ´ıtan´
Signál:silný
slabý
velmi slabý
Ns
SNR = p
2Ns + 4Nd
´ ı detekce
Ns – signaln´
´ ı
Nd – detekce pozad´ı, nezavis´
´ faktoru
na sˇ umovem
temn´y sˇ um a sˇ um zesilovaˇce
´ diskriminatorem
´
oˇrezan
Počet detekcí
signál + temný proud
temný proud
ˇ ı na dynodach
´ ani
v´ykyvy napet´
zes´ılen´ı nema´ vliv na funkci
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
S(L)
Velikost pulzu
117 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚ I
Kvantova´ uˇ
´ cinnost
´ riva´ citlivost
Zaˇ
η=
Sk (λ) = Ik /Lp [A/W]
1240
hc
Sk ≈
Sk
λe
λ[µm]
´ ı s kalibrovanou fotodiodou
porovnan´
´
nebo fotonasobiˇ
cem
´ ı odezvy
Rozsah spektraln´
´
´ okenka
´
kratkovlnn´
y limit – material
´ fotokatody
dlouhovlnn´y limit – material
– pokles na 1% z maxima pro bialkalicke´ a Ag-O-Cs
– pokles na 0.1% z maxima pro multialkalicke´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
118 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚ II
ˇ
Sveteln
a´ odezva
´
´ toku (v lumenech) z
– zavislost
v´ystupn´ıho proudu na sv´ıtivem
wolframove´ lampy teploty 2856 K
– katodova´ a anodova´ (vlastnosti po multiplikaci)
Zisk
ˇ a´ uˇ
sbern
´ cinnost α
ˇ sekundarn´
´ ı emise) δ = aUk
dynodov´y zisk (pomer
´
´
materialova konstanta k = 0.7 ÷ 0.8
´ ıch elektronu˚ ku fotoelektrickemu
´
δ1 = IIdl - poˇcet sekundarn´
k
proudu, δn =
Idn
Id(n−1)
´ →
celkov´y zisk µ = αδ1 · δ2 · · · δn , stejn´y zisk na vˇsech dynodach
ˇ napet´
ˇı
µ = α(aUk)n – velka´ citlivost na zmenu
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
119 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚ III
20
TTS ∼ U −2
´ ı pro linearn´
´ ı
minimaln´
fokuzovan´y typ a kovove´
´
kanalky
Čas [ns]
ˇ
Casov
a´ odezva
ˇ ı zpusobon
zpoˇzden´
e´ 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]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
120 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚ IV
Linearita
horn´ı mez intenzity pro katodu 0.1 aˇz 10 µA, pro anodu 10 mA
´
´
AC – limituje efekt prostoroveho
naboje
’
ˇ oveho
´
DC – limituj´ı obvody napet
zesilovaˇce
´
lepˇs´ı u reflexn´ıch fotokatod – mal´y odpor substratu
ˇ ım a poˇctem dynod
roste s napet´
Uniformita
ˇ
´
zmena
vlastnost´ı fotonasobiˇ
ce na poloze a uhlu
dopadu fotonu˚
´
Stabilita
ˇ
´
´ ı) 30 aˇz 60 minut,
zmena
vlastnost´ı v cˇ ase, kratkodob
eˇ drift (zahˇr´ıvan´
dlouhodobeˇ zˇ ivotnost fotokatody 103 aˇz 104 hodin
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
121 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚ V
Histereze
´
zavislost
v´ystupn´ıho proudu na pˇredchoz´ı hodnoteˇ
NEBO
Ii
0
zahřívání
Imin Imax
5 6 7 8 9
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
(minuty)
ˇ
Detekce svetla
Ii
Imin Imax
5 6 7 8 9
122 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
Temn´y proud (temn´y sˇ um)
anodov´y proud se zakryt´ym detektorem
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
10
10
Proud na anodě [A]
a pronikl´y proud z dynod na anodu
nebo patici (ˇspatna´ izolace)
b tepelna´ emise fotokatody a dynod
−eW
∼ T 4/5 e kT
´ ıch
c scintilace na skle a drˇzac´
elektrod, elektrony vytrˇzene´ polem
´ plynu
ostatn´ı ionizace na zbylem
−6
−5
(vakuum 10 aˇz 10 Pa),
ˇ
´ ren´ı (Cerenkovovo
kosmicke´ zaˇ
´ ren´ı z muonu),
zaˇ
˚ radioizotopy
´ ren´ı z 40 K)
obsaˇzene´ ve skle (betazaˇ
-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
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
´
´
Zavislost
temneho
proudu a detekc´ı na teploteˇ
-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]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
-60
Teplota [ C]
ˇ
Detekce svetla
124 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
ˇ sigbalu
´ k sˇ umu SNR
Pomer
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
Zlepˇsen´ı SNR
´ ı uˇ
maximaln´
´ cinnost pro dane´ λ, optimalizace pˇrenosu elektronu,
˚
´ ı zachycen´ı svetla,
ˇ
maximaln´
rozˇs´ıˇren´ı B
´
´
SNR elektronoveho
nasobiˇ
ce (dynod)
r
η 0 n0 δ10
SNR =
, η 0 = η· kolekˇcn´ı uˇ
´ cinnost, δ10 = δ1 (δ − 1)/δ
δ 0 +1
1
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
125 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´ ı vlastnosti fotonasobiˇ
´
Fyzikaln´
cu˚
ˇ
´
´
Afterpulsing – pravdepodobnost
nasledn
eho
pulzu
rychle´ 1 ÷ 100 ns
dusledek
elastick´ych odrazu˚ na prvn´ı dynodeˇ
˚
´ ı elektrodou
lze eliminovat specialn´
´
´ ı – elektronika je nestihne zaznamenat
fotonoveho
cˇ ´ıtan´
pomale´ 100 ns ÷ 1 µs
ˇ e´ iontove´ vazby (penetruj´ıc´ı He+ )
dusledek
zpetn
˚
ˇ ım
rostou s napet´
´
Zavislost
na polarizaci
´ na rozhran´ıch okenka
´
podle Fresnelov´ych vztahu,
a fotokatody
˚ ztraty
podle uhlu
dopadu a typu polarizace
´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
126 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
Kruhov´y typ
1 až 9 - dynody
mřížka
1
3
kompaktn´ı, reflexn´ı i transmisn´ı, rychla´
odezva
2
e
h
4
5
6
Box&grid
8
ˇ a´
jen transmisn´ı, v´yborna´ sbern
uˇ
´ cinnost elektronu˚
h
7
fokuzační elektroda
e
fotokatoda
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
dynody
ˇ
Detekce svetla
9
fotokatoda
anody
-4
vakuum~10 Pa
anoda
poslední
dynoda
kontakty patice
127 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
´ ı fokuzovan´y typ
Linearn´
jen transmisn´ı, rychla´ odezva, dobre´ cˇ asove´ rozliˇsen´ı a linearita
h
fokuzační elektroda
e
fotokatoda
dynody
anoda
poslední
dynoda
kontakty patice
ˇ
Zaluziov´
y typ
ˇ elektronu˚
jen transmisn´ı, velka´ fotokatoda, jednoduch´y sber
h
fokuzační elektroda
dynody
fotokatoda
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
anoda
poslední
dynoda
kontakty patice
128 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
´
Mikrokanalek
trubiˇcka s vnitˇrn´ım ∅ 5 aˇz 45 µm a
´
ˇ s´ı
delkou
cca 40x vetˇ
ˇ ı spojiteˇ podel
´ kanalku
´
napet´
e
V1
V2
´ u˚ oproti dynodam
´ velk´y sˇ um (o 5 ˇrad
10−11 A)
´
Mikrokanalkov
a´ destiˇcka MCP
´ u˚ aˇz do ∅ 10 cm
svazek mikrokanalk
v´yborne´ cˇ asove´ rozliˇsen´ı
h
stabiln´ı zisk (104 aˇz 106 ) v mag. poli
s multianodou urˇcen´ı m´ısta dopadu
´
pouˇzit´ı v intenzifikatorech
obrazu
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
129 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
h
S´ıt’ov´y typ
dobra´ linearita
necitliv´y na magneticke´ pole
s multianodou urˇcen´ı m´ısta dopadu
´
Kovove´ kanalky
podobne´ vlastnosti jako MCP
´ ı
Elektronove´ bombardovan´
ˇ ım
urychlen´ı e− vysok´ym napet´
po dopadu na polovodiˇc excitace sprˇsky
elektronu˚ → dalˇs´ı zes´ılen´ı
velk´y zisk s mal´ym sˇ umem
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
AD
h
e
130 / 168
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
´
Konstrukce fotonasobiˇ
cu˚
´ ı konstrukc´ı fotonasobiˇ
´
Porovnan´
cu˚
Typ
konstrukce
Kruhov´y
Box&grid
Lin. fok.
ˇ
Zaluziov´
y
S´ıt’ov´y
MCP
Kovove´ kan.
Elek. bomb.
´ eˇ
ˇ zna´
Nab
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
´ ı na polovodiˇci
zavis´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
Imunita mag.
pole [mT]
0.1
0.1
0.1
0.1
500 - 1500
1500
5
-
Uniformita
ˇ
Detekce svetla
slaba´
dobra´
slaba´
dobra´
dobra´
dobra´
dobra´
v´yborn´y
Kolekˇcn´ı
uˇ
´ cinnost
dobra´
v´yborna´
dobra´
slaba´
slaba´
dobra´
dobra´
v´yborn´y
Klady
kompaktn´ı, rychl´y
velka´ kolekˇcn´ı uˇ
´ cinnost
rychl´y, vysoka´ linearita
ˇ
velk´y prum
˚ er
vysoka´ linearita
rychl´y
kompaktn´ı, rychl´y
vysoke´ elek. rozliˇsen´ı
131 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Obsah
1
´
Uvod
2
ˇ
Zdroje svetla
3
ˇ ı typu˚ detektoru˚ svetla
ˇ
Rozdelen´
4
Vnitˇrn´ı fotoelektrick´y jev
5
ˇ s´ı fotoelektrick´y jev
Vnejˇ
6
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
Uvod
Proces detekce
Vlastnosti CCD
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´ ı
Barevne´ sn´ıman´
´ ı CCD a CMOS
Porovnan´
Scientific CCD iKon
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
132 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
Uvod
Historie
CCD
Charged Coupled Device
vyv´yjeny od 60. let 20. stol. v Bellov´ych laboratoˇr´ıch jako nov´y typ
ˇ
poˇc´ıtaˇcove´ pameti
´ MOS (Metal Oxid Semiconductor)
na bazi
CMOS
Complementary MOS
ˇ (naroˇ
´ cn´y v´yvoj)
vyv´yjeny pˇr´ımo jako detektor svetla
´
zvladnut
e´ od 90. let 20. stol.
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
133 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
Uvod
Princip
U1
U2
U1
polySi
SiO2
bariéra
bariéra
fotoelektrony
jáma
Si substrát
polykˇrem´ık – vodiˇc, SiO2 – izolant
ˇ eho
´
´ po dopadu fotonu
vznik elektron-derov
paru
´ ych jamach
´
zachycen´ı elektronu˚ v potencialov´
ˇ y poˇctu dopadl´ych fotonu˚
poˇcet fotoelektronu˚ um
´ ern´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
134 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
Uvod
´ ı obrazu u CCD
Zpracovan´
ˇ
ˇ ı na kontaktech pˇrenos naboje
´
´ ıch z
zmenou
napet´
po ˇradc´
´
´
´
paraleln´ıho do seriov
eho
registru, potom po pixelech k jedinemu
ˇı
pˇrevodn´ıku – pˇrevod na napet´
´ ı a rˇ´ızen´ı mimo cˇ ip
v´ystupn´ı zesilovaˇc, zpracovan´
CCD obrazový senzor
paralelní registr
h
e-
sériový registr
... ... ... ... ... ...
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
....
...
...
...
...
.. e/U
tištěný obvod kamery
řízení
taktování
oscilátor
generace
časování
a
taktování
generátor
napětí
zesilovač
ˇ
Detekce svetla
A/D
přenos
135 / 168
´
Uvod
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu u CMOS
Zpracovan´
oscilátor
sloupcový zesilovač
sloupcový slučovač
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
zesilovač
ˇ
Detekce svetla
A/D
konektor
rozdělovač napětí
generátor
časování
a
taktování
generátor napětí
řádkový ovladač
e-
řádkový přístup
ˇ ı u kaˇzdeho
´
pˇrevodn´ık na napet´
pixelu (menˇs´ı aktivn´ı plocha)
´ ı a rˇ´ızen´ı na stejnem
´ cˇ ipu
zpracovan´
e/U
kamera
CMOS obrazový senzor
tištěný
obvod
přenos
136 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
Uvod
V´yhody kamer
´ – elektronu˚ v potencialov´
´ ych jamach
´
dlouha´ akumulace signalu
η od 20 do 95 % (fotofilm 3-5 %)
vysoka´ linearita
ˇ a´ stalost,
´
dobra´ rozmerov
rozliˇsen´ı aˇz 1/10 pixelu (v´ypoˇcetn´ı
algoritmy)
´
v´ysledn´y obraz ihned k dispozici v podobeˇ datoveho
souboru –
softwarova´ uprava
´
´ ı pixelu˚ – zv´ysˇ en´ı kapacity, zrychlen´ı vyˇc´ıtan´
´ ı
u CCD zdruˇzovan´
´ ı jen cˇ asti
´ matice
u CMOS windowing – vyˇc´ıtan´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
137 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Proces detekce
Detekce – elektronova´ excitace
Eν = hν = hc/λ ≥ Eg
´
Kriticka´ vlnova´ delka
λc
λc =
hc
1.24
≈
[µm]
Eg
Eg [eV ]
pro Si je Eg =1.12 eV, tedy λc =1.11 µm
´
detekce delˇs´ıch vlnov´ych delek
– nevlastn´ı polovodiˇc
Kvantova´ uˇ
´ cinnost η
´ ı na λ
zavis´
pro Si pod 400 nm muˇ
˚ ze b´yt η > 100 % (elektronov´y mrak)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
138 / 168
Maticove´ 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
Absorbˇcn´ı koeficient α
pro Si je 1/α400 nm = 0.2 µm, 1/α650 nm = 3.33 µm
Rekombinaˇcn´ı cˇ as τ
´ y
mimo ochuzenou oblast velice kratk´
´ ı na cˇ istoteˇ a pˇr´ımes´
ˇ ıch
zavis´
povrchove´ rekombinace v dusledku
poruch a neˇcistot na rozhran´ı
˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
139 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Proces detekce
´ × signal
´
Ztraty
odraz na povrchu (Fresnelovy
vztahy)
´ –
absorbce kryc´ımi materialy
´
ochrana
CCD proti degradaci,
barevne´ filtry, elektrody
absorpce
odraz
signál
krycí vrstva
elektrody
excitace elektronu v nebo
pobl´ızˇ ochuzene´ oblasti
e
´
excitace a nasledn
a´
rekombinace mimo ochuzenou
oblast, pruchod
˚
e
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
rekombinace
průchod
sběrná oblast
ochuzená vrstva
e
substrát
140 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Proces detekce
Thinned back-illuminated CCD
´ na kontaktech a kryc´ım
beze ztrat
filmu
zv´ysˇ en´ı citlivosti, posun ke
´ am
´
kratˇs´ım vlnov´ym delk
´ vyleˇsten
ˇ na tlouˇst’ku 10
substrat
aˇz 15 µm
´ cna´ a draha´ technologie
naroˇ
Relativní kvantová účinnost
ˇ
Tenˇcen´y CCD cˇ ip osvetlen´
y zezadu
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]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
141 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Vlastnosti CCD
ˇ
Sum
CCD
δ=
q
2
δreadout
SNR =
+
2
δdark
+
2
δsignal
ηµ
ηµ
=q
δ
2
δreadout
+ Ndark + ηµ
2
´ ı CCD: µ δreadout
/η
Idealn´
Počet šumových elektronů
´
ˇ ı,
δreadout Odeˇc´ıtac´ı sˇ um, dusledek
zes´ılen´ı a konverze naboje
na napet´
˚
roste s rychlost´ı CCD (slow scan CCD)
´ ı sˇ um, dusledkem
´ ıch excitac´ı (Ndark ), klesa´ s
δdark Termaln´
termaln´
˚
teplotoup
δdark = Ndark , Ndark ≈ 10 na pixel za s pro 20◦ C
´ e´ expozice, termoelektricke´ chlazen´ı → Ndark 1
kratk
√
ˇ
ˇ
´
´ neodstraniteln´y, δsignal = ηµ
δsignal Sum sveteln
eho
signalu,
o
-25 C
o
-65 C
40
30
20
10
8
1
10
100
1000
Čas [s]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
142 / 168
Maticove´ 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 tlouˇst’ka SiO2 (typicky 0.1 µm)
ˇ ı na elektrodeˇ
Vg napet´
ˇ ı pro vytvoˇren´ı potencialov
´ e´ jamy
´
VT mezn´ı napet´
Vg − VT ≈ 3 V
´
C0 ≈ 10−13 F → Qw je v ˇradu
milionu elektronu˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
143 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Vlastnosti CCD
Prostorove´ rozliˇsen´ı
velikost pixelu
´
prostorove´ rozloˇzen´ı (oblast mezi pixely nepˇrizp´ıvaj´ıc´ı k signalu)
kvalita zobrazovac´ı soustavy
ˇ
´
´
m´ısto dopadu a velikost sveteln
eho
signalu
matematick´y popis: funkce pˇrenosu modulace (MTF) a kontrastu
(CTF)
software koriguj´ıc´ı doostˇren´ı, kompenzace rozloˇzen´ı bodove´
´
udalosti
ve v´ıce pixelech
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
144 / 168
Maticove´ 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
– zmenˇsen´ı rozliˇsen´ı
+ vyˇssˇ ´ı dynamick´y rozsah, rychlejˇs´ı
odeˇcet, lepˇs´ı SNR
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
145 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´ ı obrazu CCD
Zpusoby
sn´ıman´
˚
´ ı
Bodove´ sn´ıman´
ˇ e´ kroku a rozliˇsen´ı detektoru,
rozliˇsen´ı um
´ ern
stejne´ charakteristiky pro cel´y obraz, nepˇresnost
v urˇcen´ı pozice, jen staticke´ obrazy
´ ı sn´ıman´
´ ı
Linearn´
´ velikost a rozloˇzen´ı
jednoduˇssˇ ´ı pohybov´y aparat,
pixelu˚ omezuje rozliˇsen´ı v x, skenery,
spektrometry, satelity
x
y
obraz
x
y
obraz
´ ı
Ploˇsne´ sn´ıman´
omezene´ rozliˇsen´ı velikost´ı pixelu,
˚ ruzn
˚ e´ charakteristiky pixelu˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
146 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
Architektury ploˇsn´ych CCD
´
Metody pˇrenosu naboje
mezi jednotliv´ymi pixely
FF Full-Frame transfer
FT Frame Transfer
IL Interline transfer
dalˇs´ı Frame Interline transfer, Accordian, Charge Injection,
´ ı
MOS XY adresovan´
´ ı CCD
FF, FT a IL lze pouˇz´ıt i pro linearn´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
147 / 168
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
paralelní registr
FF
FT
Full-Frame transfer
´ cnost
mala´ operaˇcn´ı i v´yrobn´ı naroˇ
ˇ ı paraleln´ıho registru po dobu
zaclonen´
´ ı (mechanicka´ uzav
´ erka
ˇ
vyˇc´ıtan´
nebo
ˇ
ˇ
synchronne pulzn´ı osvetlen´ı), jinak
´ ı (smearing)
rozmazan´
Frame transfer
dva identicke´ paraleln´ı registry, jeden
ˇ y
zaclonen´
....
...
...
...
...
..
paralelní taktování
Maticove´ detektory CCD a CMOS
sériový registr
... ... ... ... ... ... ... ... výstupní
sériové taktování
zesilovač
....
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
..
obrazová část
ukládací sekce
´
po expozici rychl´y pˇresun (ms) do ukladac´
ı
´ ı zarove
´
sekce, potom pomale´ vyˇc´ıtan´
nˇ s
dalˇs´ı expozic´ı
čtecí registr
... ... ... ... ... ... ... ...
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
148 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
obrazová část
IL
Interline transfer
´
kryte´ ukladac´
ı sloupce mezi
ˇ
svetlocitliv´
ymi pixely
´
´
pˇresun naboje
v ukladac´
ım
´ eˇ nˇ s
sloupci metodou FF zarov
´ ım dalˇs´ıho sn´ımku
naˇc´ıtan´
´ ı, rychla´
eliminace rozmazan´
´ erka
ˇ
elektronicka´ uzav
ukládací sloupce
....
...
...
...
...
..
čtecí registr
... ... ... ... ... ... ... ...
ˇ
menˇs´ı svetlocitliv
a´ plocha →
matice mikroˇcoˇcek (jen pro kolme´
ˇ
osvetlen´
ı)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
149 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´ ı IL CCD
Zpusoby
vyˇc´ıtan´
˚
´
progresivn´ı vˇsechny ˇradky
matice popoˇradeˇ
´
´ ı zvlaˇ
´ st’ sud´ych a lich´ych ˇradk
´ u,
prokladan´
y vyˇc´ıtan´
˚ potˇreba jen
´
polovina ukladac´ıch pixelu,
˚ televizn´ı pˇrenos
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
150 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´
Techniky pˇrenosu naboje
na cˇ ipu CCD
ˇ e´
pixel tvoˇr´ı kontakty (dopovan´y Si) na polovodiˇci (Si) oddelen
izolantem (SiO2 )
ˇ ı na kontaktech tvoˇr´ı potencialov
´ e´ jamy
´
ˇ ı) a
napet´
(vyˇssˇ ´ı napet´
´ (niˇzsˇ ´ı napet´
ˇ ı)
bariery
´ v potencialov´
´ ych jamach
´
excitovane´ elektrony jsou zachycovany
ˇ
ˇ ı pˇrep´ınan´
´ ı mezi potencialovou
´
´
´
zmenou
napet´
jamou
a barierou
→
´
pohyb naboje
na cˇ ipu
´
´
´
techniky: cˇ tyˇrfazov
a´ (4Φ), tˇr´ıfazov
a´ (3Φ), pseudo-dvoufazov
a´
´
´ ı faze
´ (VΦ)
(P2Φ), prava´ dvoufazov
a´ (T2Φ), virtualn´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
151 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
4Φ – cˇ tyˇrfazov
a´
4 kontakty na pixel
´
´
dva tvoˇr´ı jamu,
dva barieru
ob jeden kontakt pˇreklopen´ı
ˇı
napet´
pˇresun o pixel ve cˇ tyˇrech
kroc´ıch
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´
3Φ – tˇr´ıfazov
a´
3 kontakty na pixel
´
´
2+1 stˇr´ıdaveˇ jama
a bariera
(housenka)
´ eˇ kontaktu˚ → vetˇ
ˇ s´ı
men
hustota pixelu˚ a rozliˇsen´ı
ˇ s´ı cˇ asovan´
´ ı, pˇresun o
sloˇzitejˇ
pixel v sˇ esti kroc´ıch
ˇ
Detekce svetla
152 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
P2Φ – pseudo-dvoufazov
a´
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´
T2Φ – prava´ dvoufazov
a´
4 kontakty na pixel, po dvou
ˇı
stejne´ napet´
ob jeden kontakt podsazen
´ sniˇzuj´ıc´ı potencial
´ →
material
ˇ a´ jama
´
naklonen
1 kontakt na pixel
´ sniˇzuj´ıc´ı potencial
´
material
´ ı elektrody
jen pod cˇ ast´
velka´ hustota pixelu˚
pˇresun o pixel ve dvou kroc´ıch
´ ı ale
jednoduˇssˇ ´ı cˇ asovan´
ˇ s´ı konstrukce
sloˇzitejˇ
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
153 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´ ı faze
´
VΦ – virtualn´
pixel tvoˇr´ı jeden kontakt a mezera (velka´ hustota)
´ postupneˇ sniˇzuj´ıc´ı potencial
´
3 ruzn
˚ e´ materialy
ˇ s´ı propustnost svetla
ˇ (citlivost v UV)
vetˇ
ˇ
´
ˇı
pˇresun o pixel ve dvou kroc´ıch zmenou
vysokeho
napet´
´
´
(problemy
s cˇ asovou stalost´
ı)
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
154 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´
ˇı
Konverze naboje
na napet´
1
2
3
´ ı plovouc´ıho difuzn´
vynulovan´
˚ ıho senzoru resetovac´ı elektrodou →
ˇı
referenˇcn´ı hodnota napet´
´
´
´
pˇrenesen´ı naboje
z posledn´ıho pixelu seriov
eho
registru
´ ı ke zmen
ˇ eˇ potencialu,
´ po odeˇcten´ı reference → signal
´
dochaz´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
155 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´
Odtokove´ kanalky
´ an´
´ ı naboje
´
Pˇretek
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
Overflow Drain
Blooming
pˇrekroˇcen´ı kapacity pixelu v
´ ve
dusledku
pˇreexpozice, nejsnaze
˚
ˇ paraleln´ıho posuvu
smeru
´ ı obvod pˇreteˇcen´ı
VOD vertikaln´
´ ı obvod pˇreteˇcen´ı
LOD lateraln´
´ erky
ˇ
+ moˇznost elektronicke´ uzav
– omezen´ı kapacity pixelu, zhorˇsena´ linearita
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
156 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´ ı obvod pˇreteˇcen´ı
Vertikaln´
´ ı obvod pˇreteˇcen´ı
Lateraln´
ˇ ı na substrat
´
– pˇredpet´
´
´
– odveden´ı pˇrebyteˇcneho
naboje
do hloubky
– OD vedle sloupce pixelu˚
– zmenˇsen´ı aktivn´ı plochy
odtok hradlo
U
VO
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
157 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
´
Detekce kratˇs´ıch vlnov´ych delek
ˇ
tenˇcene´ cˇ ipy osvetlen
e´ zezadu (FF a FT, nelze VOD)
ˇ
pokryt´ı CCD cˇ ipu fosforem – pruhledn´
y nad 450 nm, osvetlen
UV
˚
emituje ve VIS, sn´ızˇ ene´ rozliˇsen´ı v dusledku
rozptylu
˚
Vysokorychlostn´ı CCD
ˇ s´ı
rychlost CCD omezena zesilovaˇcem na cˇ ipu, zrychlen´ı → vetˇ
´ ı ohˇrevy, sn´ızˇ en´ı uniformity
energie → lokaln´
ˇ cˇ ip na v´ıce bloku˚ s paraleln´ım vyˇc´ıtan´
´ ım →
rˇeˇsen´ım je rozdelit
ˇ s´ı zpracovan´
´ ı
sloˇzitejˇ
´
dalˇs´ı zrychlen´ı limitovano
cˇ asovaˇcem na cˇ ipu, sˇ um v dusledku
˚
´ ı CCD
kapacitn´ıho chovan´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
158 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
Vady CCD cˇ ipu˚
ˇ ı povrchu nebo vady ve struktuˇre (pˇr´ımesy)
ˇ
zneˇciˇsten´
ˇ
Tmave´ pixely horˇs´ı odezva jak 75% prum
˚ eru
´ v dusledku
´
Horke´ pixely pˇreexponovany
temneho
˚
proudu (v´ıc jak 50x)
ˇ zko
Pasti zachycuj´ı posouvane´ elektrony, teˇ
odhalitelne´ (aˇz od 200 elektronu)
˚
Flat field nehomogenn´ı odezva v ruzn´
˚ ych
m´ıstech cˇ ipu
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
159 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ an´
´ ı expozic
Sklad
´ ı obrazu CCD
Sn´ıman´
Stretching
– softwarove´ seˇcten´ı v´ıce expozic s kratˇs´ı expozic´ı
´
´
– kompenzace nedostateˇcneho
dynamickeho
rozsahu CCD
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
160 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı
Barevne´ sn´ıman´
´ ı
Barevne´ sn´ıman´
´ zmenu
ˇ podle vlnove´ delky
´
Si CCD cˇ ipy jsou monochromaticke,
ˇ v intenziteˇ
nelze odliˇsit od zmeny
´
pouˇzit´ı filtru˚ pro zaznam
informace o barveˇ (VIS)
ˇ
RGB Red, Green, Blue, nekdy
nav´ıc L (Light)
celkova´ propustnost 1/3
CMY Cyan, Magenta, Yellow
celkova´ propustnost 2/3, M je obt´ızˇ ne´ vyrobit
´ ı ciltivost oka
kompenzace na spektraln´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
161 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı
Barevne´ sn´ıman´
´ ı
Sekvenˇcn´ı sn´ıman´
– v´ıce expozic pˇres barevne´ filtry RGB
(LRGB)
´
– potˇreba delˇs´ı cˇ as, mechanicke´ souˇcastky
´ ı
a softwarove´ zpracovan´
obraz
barevné
filtry
G
.
B R
CCD
3 cˇ ipy
ˇ ı svetlo
ˇ na
– chromatick´y hranol rozdel´
barevne´ sloˇzky nebo achromatick´y hranol a
´ 2/3 intenzity)
barevne´ filtry (zrata
´ ı
– softwarove´ zpracovan´
– cˇ ipy mohou m´ıt ruzn
˚ e´ vlastnosti →
ˇ
zhorˇsen´ı vernosti
obrazu
obraz
dělič
svazků
CCDR
R
G
.
B
CCDG
CCDB
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
162 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı
Barevne´ sn´ıman´
Integrovane´ filtry na cˇ ipu – Bayerova maska
– na pixely pˇri v´yrobeˇ naneseny RGB nebo CMY filtry
´ ı rozliˇsen´ı v jasove´ sloˇzce, prostorove´ klesne na 1/4
– zachovan´
– interpolace barevne´ informace ze sousedn´ıch pixelu˚
´
– filtry nelze odstranit, nelze sn´ımat za uzkop
asmov´
ymi filtry, nelze
´
zdruˇzovat pixely
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
163 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı
Barevne´ sn´ıman´
Foveon X3
´
zaznam
barevne´ informace podle hloubky, ve ktere´ foton excituje
elektron
´
odeˇcet poˇctu fotonu˚ v ruzn´
˚ ych hloubkach
´
zachovano
rozliˇsen´ı ale menˇs´ı kapacita pixelu˚
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
164 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
´ ı CCD a CMOS
Porovnan´
´ ı CCD a CMOS
Porovnan´
Kvantova´ uˇ
´ cinnost
Citlivost
ˇ
Sum
ˇ
Uniformita za svetla
Uniformita za tmy
Rychlost
CCD
CMOS
CCD
–
CCD
CMOS
ˇ
lepˇs´ı pokryt´ı svetlocitlivou
plochou
zes´ılen´ı pˇr´ımo na cˇ ipu
u CMOS pˇrisp´ıva´ elektronika na cˇ ipu
obeˇ platformy srovnatelne´
u CMOS ruzn
˚ e´ zes´ılen´ı u pixelu˚
´ ı na cˇ ipu, paralelita
zpracovan´
CCD
dynamick´y rozsah, elektronicka´
´ erka
ˇ
ˇ
uzav
(IL), zmena
rychlosti a
´
´ ı
dynamickeho
rozsahu, zdruˇzovan´
´ ı analogove´
pixelu,
˚ nelinearn´
´ ı, moˇznost pˇreteˇcen´ı
zpracovan´
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
CMOS
´ erka
ˇ
elektronicka´ uzav
neuniformn´ı
a uniformn´ı, windowing, ˇr´ızen´ı
ˇ ı a cˇ asovan´
´ ı, men
´ eˇ
napet´
´ cne,
´ menˇs´ı uniky,
energeticky naroˇ
´
´ moˇznost integrace
spolehlive,
ˇ
Detekce svetla
165 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Scientific CCD iKon
Scientific CCD iKon (Andor) I
ˇ
tenˇcena´ CCD osvetlen
a´ zezadu
termoelektricke´ chlazen´ı (aˇz -100◦ C)
mal´y odeˇc´ıtac´ı sˇ um
16-bitov´y A/D pˇrevodn´ık s velk´ym dynamick´ym 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]
ˇ
Haderka, Cernoch
(RCPTM/SLO)
ˇ
Detekce svetla
166 / 168
Maticove´ detektory CCD a CMOS
Scientific CCD iKon
Scientific CCD iKon (Andor) II
Model
Rozliˇsen´ı
Velikost pixelu [µm]
Obrazova´ oblast [mm]
Typ senzoru
Kapacita pixelu [e− ]
´ ı
Rychlost vyˇc´ıtan´
Odeˇc´ıtac´ı sˇ um [e− ]
Temn´y proud [e− /pixs]
ˇ
Haderka, Cernoch
(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
ˇ
Detekce svetla
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
Download

Detekce svetla