Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Fotonika Félvezető detektorok Dr. Kovács Gábor BME Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Fotonika Félvezető detektorok Dr. Kovács Gábor BME Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék"— Előadás másolata:

1 Fotonika Félvezető detektorok Dr. Kovács Gábor BME Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék

2 Fotodetektorok Fény (foton) hatására elektromos válaszjelet produkálnak Működési elv alapján –Kvantum detektorok: E=h, h= Js (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

3 Energiaszintek a félvezetőkben Szigetelőknél a vegyértéksáv be van töltve, és a vezetési sávba jutáshoz nagy energia kell Félvezetőknél a tiltott vezetési sáv kisebb energiával is elérhető A vezetőképesség adalékokkal (donor, akceptor) növelhető A vezetési sávba került elektronok és a helyükön maradt lyukak az erőtér hatására elmozdulhatnak (elektron és lyukvezetés) A vezetési sávba kerülési W G energia kifejezhető a gerjesztési potenciállal és alapvetően a félvezető anyagától és a hőmérséklettől függ Valencia sáv Tiltott sáv Vezetési sáv WCWC WVWV WGWG

4 A p-n átmenet A félvezető kristály egy részét donorokkal más részét akceptorokkal adalékolják A vezetési és a valencia sáv deformálódik A p-n átment síkjában a szabad töltéshordozók sűrűsége 0 Gerjesztés: a töltéshordozók száma megnő –Hőmérsékleti gerjesztés –Fényenergia: h  > W g. A határhullámhossz: Valencia sáv Tiltott sáv Vezetési sáv WCWC WVWV WGWG W CD W VA

5 Fotoellenállások Kvantumhatásfok: –Az egy fotonra jutó elektron- lyuk pár –Egynél kisebb! Reflexió: –R=(n 1 -n 2 ) 2 / (n 1 +n 2 ) 2 Behatolási mélység: –A z elektonok száma e-ed részére csökken –1064nm:0.3mm –900nm:0.03mm –700nm:0.005mm A fotodetektor lehet: –Homogén félvezető –P-N átmenetes Homogén félv. detektorok a vezetőképesség változását használják ki Fotoellenállások –Lassú működés –Hőmérséklet függés –Öregedési jelenségek félvezető i photo

6 Megvilágított p-n átmenet A foton hatására a p- n átmenetben töltés szétválasztás történik A határhullámhossz: –Ge:1.85  m –Si: 1.12  m Három működési régió –Fotofeszültség, fényelem –Zárófeszültség tartomány –Lavina tartomány UdUd I dióda

7 Fényelemek Olyan fotodiódák amelyeken nincs zárófeszültség Közvetlen fény- elektromos áram átalakítás Foto vezető üzem –Az áram közel lineárisan nő a megvilágítással Foto feszültség üzem –A feszültség közel logaritmikusan nő megvilágítással Fényelemek tulajdonságai –Viszonylag nagy felület –Nagy kapacitás –Lassú működés Napelemek UdUd I dióda i photo h u photo h RtRt

8 Fotodiódák Zárófeszültség üzemre tervezett p-n átmenetek Lineáris eszköz –A terhelőellenállás mellett is! A fotoáram a sötétáramra szuperponálódik PIN diódák –Kicsi kapacitás –Gyors működés UdUd I dióda i-réteg p réteg n réteg h

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 Transfer CCD shift registerVideo Gnd Foto dióda Kapacitás

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

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

14 CCD kamera struktúra (full frame transfer)

15 Smearing hatás

16 Frame transfer CCD Kettős CCD chip –Fotodetektor mátrix –Tároló terület Gyors átléptetés a tárolóba Előnyök –Kisebb smearing hatás mint FFT –Nagy felbontás –Nagy apertúra (fill factor) Hátrányok –Nagy chip méret –Fényzárás szükséges lkji hgfe dcba lkji hgfe dcba hgfe dcba lkji i hgfe dcba lkj i

17 Interline transfer CCD Több párhuzamos vonaldetektor Közöttük és legalul shift regiszterek Előnyök –Kis chip méret –Alacsony smearing Hátrányok –Drágább technológia –Kis apertúra abc def ghi abc def ghi abc def ghi i h fe d cba g

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

19

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

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:

28

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 Cos 4 korrekció Por, szennyeződés Detektor inhomogenitás

32


Letölteni ppt "Fotonika Félvezető detektorok Dr. Kovács Gábor BME Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék"

Hasonló előadás


Google Hirdetések