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

Fotodetektorok 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

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

A p-n átmenet Gerjesztés: a töltéshordozók száma megnő Hőmérsékleti gerjesztés Fényenergia: hn > Wg. A határhullámhossz: 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 Valencia sáv Tiltott sáv Vezetési sáv WC WV WG WCD WVA

Fotoellenállások Kvantumhatásfok: A fotodetektor lehet: 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 félvezető i photo

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 Ud Idióda

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

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

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

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!

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

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

CCD kamerák jellemzői 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 kamera struktúra (full frame transfer)

Smearing hatás

Frame transfer CCD Kettős CCD chip Gyors átléptetés a tárolóba Előnyök j i h g f e d c b a l k j i h g f e d c b a 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 h g f e d c b a l k j i i h g f e d c b a l k j

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

Jel/zaj viszony Foton zaj Termikus zaj (sötét zaj) Elektronikus 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

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

Színes CCD Három chipes kamerák Egy chipes detektorok Szűrőcsíkok Diffúziós mélység (a hosszabb hullámok mélyebbre hatolnak) Színszűrők Szűrőcsíkok RGB szűrők C G Y szűrők Mozaik szűrők

Színes CCD kamera 3 chip

Szűrőváltók

Szűrőváltók

CCD Struktúrák

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.

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:

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

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

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