Presentación de PowerPoint - ELAI-UPM
Anuncio
DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 1 Tema 3 – Fotodetectores Características de un fotodetector Responsividad Respuesta en frecuencia Detectividad Eficiencia cuántica Ruido en los forodetectores Absorción de la luz en un semiconductor Detectores cuánticos Dispositivos fotoemisores. Fotodiodos en vacío. Fotomultiplicadores. Detectores fotoconductores Detectores de unión p-n El fotodetector P-I-N Fotodiodos Schottky. El fotodetector de avalancha El fototransistor Detectores formadores de imágenes Dispositivos CMOS El dispositivo acoplado por carga (CCD) Detectores térmicos Bolómetros OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Detectores pìroelétricos 2 FOTODETECTORES OBJETIVO Exponer los principios fundamentales de funcionamiento, conceptos y técnicas para caracterizar, modelizar y aplicar los Fotodetectores OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 3 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 4 Requerimientos en fotodetectores ¾Alta sensibilidad en la longitud de onda de operación ¾Gran respuesta eléctrica a la señal óptica recibida ⇒alto rendimiento cuántico ¾Bajo tiempo de respuesta⇒ gran ancho de banda (respuesta temporal corta) ¾Ruido mínimo ¾Estable ⇒ independiente de cambios en las condiciones ambientales ¾Pequeña dimensión (acoplamiento eficaz a la fibra) ¾Bajo costo ¾Alta fidelidad ⇒ reproducción exacta de la señal óptica en un amplio margen ¾Baja tensión de funcionamiento ¾Fiabilidad OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 5 Esquema básico de detección OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 6 Esquema básico de detección ¾Preamplificador provee al circuito siguiente de la señal adecuada (señal recibida puede ser muy débil) ¾Ecualización para favorecer frecuencias atenuadas por el restringido ancho de banda del preamplificador ¾Control automático de ganancia provee nivel promedio del señal independiente de la potencia de llegada OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 7 Características de un fotodetector ¾ Responsividad Rλ = V Pluz [V/W ] ¾ Potencia equivalente al ruido ¾ Detectividad específica ¾ Tiempo de respuesta ¾ Eficiencia cuántica OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 o Rλ = NEP = I Pluz VN Rλ [A/W ] o NEP = IN Rλ 1/ 2 ( ) Δ A f D* = NEP f 3dB 0,35 1 = ≅ tR 2πτ Rλ h⋅c h⋅c η= .Rλ = 1,24 ⋅ donde λ ≤ λ ( μm ) e⋅λ Eg 8 Responsividad Responsividad(A/W) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.5 Responsividad(A/W) 1 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 1 1.5 2 0.8 0.6 A B 0.4 0.1 0.2 0 0 Longitud de onda (µm) Fotodiodo de Ge OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Responsividad(A/W) 200 400 600 800 10001200 800 1000 1200 14001600 1800 Longitud de onda (nm) Longitud de onda (nm) Fotodiodos comerciales de Si Fotodiodo pin de InGaAs 9 Responsividad(A/W) Responsividad Longitud de onda (nm) ¾Silicio adecuado para ventana de 0.85 μm ¾Ge y InGaAs adecuados para 2a y 3a ventana ¾Ge tiene corriente de obscuridad mayor (0.1 μA @ 20°C, 1 μA @ 40°C) comparado con InGaAsP: OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 corriente de obsc. 0.2 nA 10 Detectividad específica D* (mHz1/2W-1) Límite de ruido de fondo (300 K) λ(µm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 11 Detectividad específica de Fotodiodos extrínsecos Detectividad cm W-1Hz1/2 1011 5 3 2 1010 5 3 2 2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 3 45 10 20 30 Longitud de onda λ (μm) 100 12 Eficiencia Cuántica en Fotodiodos Eficiencia cuántica η % Longitud de onda λ (μm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 13 Ruido OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 14 BER ¾BER = Bit Error Rate = probabilidad de que un ‘1’ esté decodificado como un ‘0’ y viceversa Número de errores Número de bits transmitidos ¾Todas las probabilidades de errores de protocolos en niveles BER = más altos pueden ser deducidos del BER ¾S/R (Signal to Noise Ratio) está relacionado con el BER pero la relación es diferente para diferentes tipos de modulación o de receptor ¾S/R eléctrico igual al doble de SNR óptico S/Ropt = 10 log Popt PN = 10 log PN: potencia del ruido OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 I señal σi = 10 log P elect P N elect P 1 1 = 10 log elect = S/R elect 2 P 2 N elect σi : desviación de corriente a causa del ruido 15 BER BER = p(1)Prob(0 /1) + p(0)Prob(1/ 0) p(1): probabilidad a priori que un 1 sea transmitido Prob(0/1): probabilidad que 0 fue decodificado cuando un 1 está transmitido p(0) igual a p(1) ⇒ p(0) = p(1) = ½ Si Q≥10; Q= parámetro de calidad ⇒ BER ≈ Q2 − e 2 Q 2π BER = 10-9 si Q = 6, BER = 10-15 si Q = 8 • Q2 puede ser identificado aproximadamente como SNR de la potencia (ratio señal potencia a ruido de la potencia) • Para conocer BER, es necesario conocer la corriente promedio y el ruido (ambos dependen de la forma de modulación o del tipo de detector) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 16 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 17 Llegada de fotones La llegada de fotones es discreta y no de forma continua a causa del carácter corpuscular de la luz El número de fotones que llega en un haz de luz de potencia media constante sigue la distribución Poisson Probabilidad de que N fotones lleguen en un intervalo T (ritmo promedio r fotones/seg): P( N ) = (rT ) N e − rT N! OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 18 Límite Cuántico por ASK • Límite cuántico: potencia mínima de luz que debe llegar para obtener un cierto BER • ASK (Amplitude Shift Keying) (simplificado): no luz durante tiempo T de un bit significativo, bit = 0. 1 -rT 1 -rT 1 1 1 BER = Prob(0 /1) + Prob(1/ 0) = (0 ) + e = e 2 2 2 2 2 • • • • BER = 10-9 ⇒ rT = 20 (20 fotones cada tiempo de un bit T), i.e. límite cuántico para BER 10-9=20 fotones De igual manera: límite cuántico para BER 10-15=34 fotones Potencia requerida sube cuando bit rate sube (vea gráfico) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 19 Limite Cuántico BER OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 20 Absorción de fotones: conservación del momento k2-k1=2π/λ Detección de luz generación par electrón-hueco al incidir un fotón E E - - Fotón hν --- EC Fotón EV hν Eg + + + K=0 Gap directo 1 Coeficiente de absorción: α = lF OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 k EC Fonón Eg EV + + + K=0 Gap indirecto ( * r k ) (hν − E ) n 2m α (ν ) = P(ν ) π h2 c 3 2 g 1 2 21 Absorción de fotones: conservación de la energía E2-E1=hν EC Fotón 1 2 3 4 5 Eg Cambios de energía EV 1-Generación electrón-hueco libre 3- Generación excitón libre Transición BV-BC directas e indirectas E ≈ Eg α ≈ 103-104 cm-1 Transición BV-BC directas e indirectas E >> Eg α ≈ 105-106 cm-1 Absorción excitónica 4- Electrón- ión aceptor 5- Ión donador – ión aceptor Absorción por electrones asociados a niveles de impurezas α ≤ 103 cm-1 2-Generación electrón-hueco libre OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 22 Diagrama de bandas Ge Si Gap indirecto Gap indirecto OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 GaAs Gap directo 23 Frecuencia Longitud de onda Frecuencia Longitud de onda Ultravioleta Ultravioleta Visible Infrarrojo Infrarrojo OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 24 Energía y longitud de onda del gap para diversos semiconductores 1,24 hc λ ≤ λg = = Eg E g [ ev] Respuesta relativa del ojo [μm] Infrararrojo Eg(eV) 0,2 0,6 1,0 Visible 1,4 1,8 λ(μm) 6,0 3,0 2,0 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 InGaAs InSb PbS Ge HgCdTe OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 CdTe Si GaAs CdSe 2,2 2,6 0,6 0,5 CdS GaP Ultravioleta 3,0 3,4 0,45 3,6 0,35 GaN SiC ZnS GaAsP 25 Variación del coeficiente de absorción Coeficiente de absorción α(cm-1) Longitud de onda (μm) GaInAsP InGaAs Energía fotónica (ev) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 26 Efecto de la reflexión y la absorción en la eficiencia cuántica Rayo incidente Rayo reflejado Reflexión y absorción Fotones hν ΦF incidentes naire=1 ΦF refractados n Rayo refractado Coeficiente de reflexión ⎛ n −1 ⎞ r=⎜ ⎟ ⎝ n +1⎠ ΦF transmitidos d semiconductor 2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 x x Eficiencia cuántica ext Flujo de fotones refractados ηe= (1-r)ηi (1-e-αd) ΦF(0) =ΦF (1-r) I P hν ηe = ⋅ q Pλ ΦF(x) =ΦF (1-r) e-αx Fotocorriente η qPλ IP = hν 27 Fotocorriente ( q (1 − r )ηi Pλ IP = 1 − e − αd hν ) [A] ¾ Pλ: potencia óptica incidente ¾ r: coeficiente de reflexión en interfaz aire-semiconductor. Se agrega capa antirreflectante para disminuir r ¾ α: coeficiente de absorción (debe ser alto para una buena conversión de luz a corriente) ¾ x: distancia que la luz debe recorrer antes de llegar a la región de absorción ¾d: espesor de la región de absorción OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 28 Absorción para varios semiconductores 5 4 3 1 2 Coeficiente de absorción α (m-1) 1×108 Ge 1×107 0.9 0.8 0.7 In 0.7Ga0.3As 0.64P 0.36 In 0.53Ga 0.47 As Si 1×106 Energía fotónica (eV) GaAs InP 1×105 a-Si:H 1×104 1×103 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Longitud de onda (μm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 29 Dispositivos fotónicos ne o t o F hν s Dispositivos fotoemisor OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Fotodiodo de vacío 30 Dispositivos fotoemisores - Fotocátodos S1 (AgOCs) S11 (SbCsO) S20 (SbNaKCs) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 31 Dispositivos fotónicos - Fotomultiplicadores Cátodo Tablilla Rejilla Cátodo a) de persiana Rejilla Ánodo b) de caja y rejilla Cátodo Cátodo Ánodo c) enfoque líneal OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Ánodo d) enfoque jaula circular 32 Dispositivos fotónicos - Fotomultiplicadores La cadena de resistencias actúa como divisor de tensión y mantiene los dinodos a una tensión mayor que el cátodo. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 33 Dispositivos fotónicos -Fotoconductor V hν Electrodos Fotones hν p = po+ Δ p D n = no + Δn A Ip Semiconductor W Aislante L Símbolo Fotocorriente ⎛ τ c ⎞⎛ μ p ⎞ ⎟⎟ AL I P = qGL ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜1 + ⎝ ttt ⎠⎝ μ n ⎠ Ganancia fotoconductiva OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 τc ⎛ μp IP G= = ⎜⎜1 + I PL ttt ⎝ μ n ⎞ ⎟⎟ ⎠ 34 Célula fotoconductora de CdS OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 35 Materiales fotoconductores ¾ Fotoconductores intrínsecos Ultravioleta GaN, SZn Visible CdS, CdSe, CdTe 0,5 a 0,7 μm Infrarrojo InGaAs/InP PbS, PbSe, PbTe InSb HgCdTe 1 a 1,6 μm 1 a 5 μm 7 μm 5 a 14 μm T = 77 K ¾ Fotoconductores extrínsecos Ge 10 a 100 μm impurificado con: Au, Cu, Hg, Cd, B OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 36 Dispositivos fotónicos. Detector de unión p-n V Fotones hν R P Símbolo n E x E Región de deplexión EC hν np(x) W GLτn np0 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 EV pn(x) GLτp pn0 37 Fotodiodo- Modos de separación de la carga IS Modo fotovoltaico Modo fotoampérico OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 38 Fotodiodo- Modos de separación de la carga iext Corriente de oscuridad, IS II I Φe RL iext V VD Φe III Corriente con luz, iP OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 IV Modo fotoconductor 39 Respuesta del fotodiodo a la generación de pares electrón-hueco Fotones hν IP Ln W Lp Intensidad de campo eléctrico E Zona de deplexión: 1 genera corriente Zonas de difusión: 2 aumenta la sensibilidad Zonas neutras: 3 no genera corriente OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 40 Circuito equivalente del fotodiodo. Modo fotoampérico ip : fotocorriente D : diodo ideal Rsh : resistencia a corrientes superficiales CT : capacidad de transición Rs : resistencia zonas neutras OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 41 Característica del fotodiodo Rs iP iD ish ic iext RL + Vext D Rsh Cd V - iext ⎡ ⎛ q(V − RS I ) ⎞ ⎤ = I S ⎢exp⎜ ⎟ − 1⎥ − iP KT ⎠ ⎦ ⎣ ⎝ Φe RL iext Corriente de oscuridad, IS Vext II iext I VD Φe III IV iext = − I S − iP Corriente con luz, iP OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 42 Responsividad Responsividad (A/W) 1 0.9 0.8 Fotodiodo ideal 0.7 QE = 100% (η = 1) 0.6 0.5 λg 0.4 0.3 Fotodiodo de Si 0.2 0.1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Longitud de onda (nm) QE: eficiencia cuántica OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 43 Fotodiodo p+ n Fotones hν p+ ⏐V⏐>>V0 y n+ NA>>ND ⎛ 2ε 0ε r V x n = ⎜⎜ ⎝ qN D OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 n ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1/ 2 ⎛ 2 ε 0 ε r VN D ⎞ ⎟ xp = ⎜ 2 ⎟ ⎜ qN A ⎠ ⎝ 1/ 2 44 Diodo p-i-n Fotones hν i Absorción Er0(1-r) Idif E r0(1-r)e-αx x EC Idif Iarrastre OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 EV 45 Selección del material en diodo PIN El material depende de la λ a detectar Para alta velocidad gap directo Para λ grandes Ge u otros compuestos Visión nocturna gap muy extrecho; refrigerar Elegido el material, hay que: ¾ Minimizar la reflexión en la superficie ¾ Maximizar la absorción en la zona de carga espacial ¾ Minimizar la recombinación de portadores ¾ Minimizar el tiempo de transito OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 46 InGaAs λ=1,55μm⇒α=104cm-1 W i= 2α-1 = 2 μm Coeficiente de absorción α(cm-1) Fotodiodos p-i-n de tipo “mesa” Longitud de onda (μm) GaInAsP InGaAs Energía fotónica (ev) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 47 Limitación de la velocidad de respuesta T=300 K Velocidad de desplazamiento (cm/s) 108 In0,53Ga0,47As InP Tiempo de transito GaAs 107 ttt=W/vsat Ge Ge In0,53Ga0,47As vsat=μn.E 106 Electrones Si Alta velocidad Huecos 105 102 103 104 Campo eléctrico (V/cm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 105 W pequeña 48 Limitación de la velocidad de respuesta Capacidad de transición CT = Constante de tiempo εA W τRC = RL CT Rs iP iD ish iext RL ic V D Rsh CT Tiempo de respuesta 2 τ 2 2 = t tt + τ RC Máxima velocidad de respuesta: t tt OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 = τ RC 49 APD. Multiplicación por avalancha Inyección de portadores P 3 A Fotón B 1 Tiempo Energía del electrón E D 2 EC C Eg N EV Distancia Zona de deplexión OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 50 Coeficiente de ionización (cm-1) Coeficiente de ionización 105 Factor de multiplicación Ge 104 αp 103 αn αn I M= Ii Si Si αp 102 101 1 2 3 4 5 6 Campo eléctrico (x105 V cm-1) M= 1 ⎛ V 1 − ⎜⎜ ⎝ VBR ⎞ ⎟⎟ ⎠ m m=cte, depende del diseño OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 51 Fotodiodo de avalancha. SAM APD Avalancha Wav Fotones hν n+ Absorción W abs π p p+ E x Campo eléctrico EC EV OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Eg 52 Estructuras SAM APD de Si Electrodo Capa antireflectante SiO2 Anillo de guarda n+ p (a) π + p Substrato Electrodo (a) Sin anillos de guarda. n+ p n Ruptura por avalancha (b) n π + p Substrato Electrodo (b) Con anillos de guarda Evita las corrientes de fuga en el borde de la unión OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 53 Fotodiodo de avalancha. SAM APD Heterounión hν EC p+ Eg1 EV EC n+ EV OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Eg2 54 Fotodiodo de avalancha. SAGM APD Heterounión Fotones hν Contactos p Pasivación p+ InGaAs n- InGaAsP p+ InP n- InP n- InGaAs n+ InP n+ InP substrato Tiempo de respuesta 100-200ps Contactos n SAGM, separate absortion grading and multiplication Aplicado en sistemas de comunicación OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 55 Estructura de mesa APD SAGM Photon Electrode n–In0.53Ga 0.47As (5-10μm) Absorption layer Graded n–InGaAsP (<1 μm) Electrode N–InP (2-3 μm) Multiplication layer. P+–InP (2-3μm) Buffer epitaxial layer P +–InP Substrate Esquema simplificado de una estructura de mesa APD SAGM OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 56 Comparación entre APD Parámetro Símbolo Unidad Si Ge InGaAs Longitud de onda λ µm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7 Responsividad R A/W 80-130 3-30 5-20 Ganancia APD M - 100-500 50-200 10-40 Corriente de oscuridad Id nA 0.1-1 50-500 1-5 Tiempo de subida tr ns 0.1-2 0.5-0.8 0.1-0.5 Ancho de banda Δf GHz 0.2-1.0 0.4-0.7 1-3 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 57 Comparación entre Fotodetectores Fotoconductor Fabricación simple y utilización fácil Corriente de oscuridad alta⇒ruido térmico Bajo rendimiento en aplicaciones de comunicación Fotodiodo PIN Buena relación ancho de banda/ sensibilidad Velocidad de respuesta muy alta Fotodiodo APD Buena relación ancho de banda/ sensibilidad Menos rápido que fotodiodo pin y ruidoso Altos valores de las tensiones de polarización SAGM-APD mejor rendimiento en los sistemas de comunicación ⇒incompatible con OEIC OPTOELECTRÓNICA-ELAI Según gráfica el mejor Tema 3 58 Materiales para fotodiodos Silicio EEg=1,1ev Gap indirecto. Visible e infrarrojo g=1,1ev Gap indirecto. Visible e infrarrojo Altas Altasprestaciones prestacionesen endiodo diodode deavalancha avalanchaen enLAN LAN No Nopuede puedetrabajar trabajaren enλ=1,3 λ=1,3yy1,55 1,55μm μm Germanio Gap Gapindirecto. indirecto. Sensor Sensorde deinfrarrojo infrarrojo Puede Puedetrabajar trabajaren enλ=1,3 λ=1,3yy1,55 1,55μm μm Baja Bajasensibilidad sensibilidadyycorriente corrienteoscura oscuraalta alta InGaAs GaInAsP Gap Gapdirecto directocrecidos crecidossobre sobreInP InP Puede Puedetrabajar trabajaren enλ=1,3 λ=1,3yy1,55 1,55μm μm Utilizados Utilizadosen enheterouniones heterouniones HgCdTe InAs ; InSb OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Gap Gapdirecto, directo,no nocrecen crecensobre sobreInP InP Trabaja Trabajaen enλ=1,3 λ=1,3yy1,55 1,55μm μm, ,visión visiónnocturna nocturnaee imágenes imágenestérmicas. térmicas. Alta Altacorriente corrientede deoscuridad, oscuridad,necesita necesitaenfriamiento enfriamiento 59 Fotodiodo Planar Tipo Diodo Pin Diodo Avalan cha Unida des - Material Si Ge GaAsP InAS InSb Si Si Espectro 0,191,1 0,7-2 0,30,76 0,54,5 0,55,5 0,3-1,1 0,4-1 Respues ta max 0,560,98 1,5-1,8 0,640,71 3,5 5,3 0,80,96 0,8 μm Respons ividad Tiempo de respuest 0.30.6 1.0 0.30.4 10 200 0.5-0.6 40-100 A/W 0.1-1 0.05 0.510 0.5 10 0.0020.02 0.3x10-39x10-3 μs A,B,C D,E E A,B,F C C A,D A,D,F Aplica ción μm A – Radiometría en general B – Fotometría C –Células solares D – comunicaciones E – Sensores en IR F – Sensores en ultravioleta OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 60 Fototransistor hν +VCC colector base (no conectada) emisor V0 RL ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Ganancia como el APD , pero más ruido. Tiempo de respuesta muy limitado Buena sensibilidad. Menor linealidad. Mucha variación con la temperatura OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 61 Fototransistor. Energía de bandas y representación de corrientes Emisor Base Colector hν IE IC E ICO C αFIE VCC IB RL B OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 62 Estructuras de un Fototransistor (a) Fototransistor de silicio OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 (b) Fototransistor n-p-n hecho con una heterounión InGaAs/InP 63 Detector CCD CCD son las siglas de Charge Coupled Device (dispositivo de carga acoplada) que hace referencia a una matriz de detectores como los que hemos descrito Cada uno de los elementos fotosensibles del sensor se denomina pixel (picture element). El número de píxeles del sensor se suele medir en millones de píxeles (o megapíxeles, Mpx) Los píxeles suelen llevar un pequeño filtro en la parte superior de forma que sólo permite pasar luz del rojo, verde o azul. El color de un pixel se obtiene a posteriori por software mediante algoritmos de interpolación OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 64 CCD La base de los dispositivos CCD son los capacitores MOS +V Metal Contacto eléctrico Óxido Barrera de Barrera de portadores separación separación de canales minoritarios de canales Zona vaciada Semiconductor (Silicio dopado ) Matriz CCD 10×10. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Elemento Electrodo Zona de vaciamiento Óxido Semiconductor p Fotodetector. Espesor (μm) 1- 2 5 1- 2 50 65 CCD: generación de la señal +V Fotón par e- -- h+ Al llegar fotones al condensador, si éste está a potencial positivo, se generan pare e-h que quedan atrapados en un pozo de potencial ya que a los dos lados otros condensadores están colocados a potencial negativo: los fotoelectrones se acumulan en una región definida La carga acumulada es proporcional al número de fotones incidentes y al tiempo de exposición OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 66 CCD Transferencia de carga Una vez confinados los paquetes de carga hay que transferirlos hasta un sensor para convertir su distribución espacial en una señal eléctrica I(x) sensor de carga Q(x) La transferencia puede ser: • Dos fases • Tres fases • Cuatro fases OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 V(t) 67 CCD de tres fases. Transferencia de carga 1 2 3 1 2 3 1 2 3 PUERTAS potencial t=t1 t=t2 t=t3 t=t4 Mal control del potencial de superficie. Problemas con las transferencias OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 68 CCD de cuatro fases. Transferencia de carga 1 2 3 4 1 2 3 4 1 PUERTAS potencial t=t1 t=t2 t=t3 t=t4 La CCD de cuatro fases presenta los siguientes problemas: ¾ Barrera de potencial doble entre paquetes durante todo el proceso ¾ Estructura solapada entre puertas, no hay espacio entre puertas OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 69 CCD de dos fases. Transferencia de carga OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 70 Inconvenientes y ventajas de los CCD VENTAJAS INCONVENIENTES Alto grado de integración Problemas asociados al rango dinámico. Gran sensibilidad Saturación, Blooming (emborronado) Linealidad Posibilidad de Crosstalk (un fotón puede provocar un par e-h en una zona no deseada) Robustez Alta eficiencia en la transferencia de carga Salida fácilmente adaptable a formatos estándar OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Corriente de oscuridad ( se puede solucionar enfriando el dispositivo) 71 CCD Arquitectura Sensor de imagen líneal La imagen se saca muy poco a poco (cada ciclo de reloj lleva una línea hacia abajo y luego hay que extraer la línea completa). Para hacerlo más rápido hay dos soluciones: OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 72 CCD Arquitectura Sensor de imagen superficial: CCD de transferencia de imagen Δx Δy Barreras aislantes Matriz detección φ1 φ2 φ3 Toda la matriz se descarga de una vez a una matriz igual Sección de formación de imagen Sección de almacenamiento de carga Zona ópticamente aislada salida OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Registro de lectura de salida 73 CCD de transferencia de imagen (frame transfer) Principio de funcionamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 74 CCD Arquitectura Sensor de imagen superficial: CCD de transferencia interlineal Puertas de transferencia Registros de transferencia ópticamente aislados Matriz Δx detección Línea par Es la más rápida, pues en un único ciclo de reloj se transfiere toda la matriz. La desventaja es que no puede tener tanta resolución pues se necesita espacio para las máscaras entre líneas Línea impar Δy salida Registro de lectura de salida OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 75 CCD de transferencia interlineal (interline transfer) Principio de funcionamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 76 Comparación entre la transferencia de imagen y la transferencia interlineal Transferencia de imagen Transferencia interlineal 20 μs CCIR 16.7 μs NTSC 40 μs CCIR 100 μs NTSC Tiempo de integración Tiempo de transferencia Factor de llenado #pixels 300-500 μs 1-3 μ s 100 % 20-40 % 500x500 – 4000x4000 500x500 – 2000x2000 Respuesta a frecuencias espaciales elevadas MALA BUENA Aliasing, Moire POCO MUY RESALTADO OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 77 CMOS Arquitectura OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 78 CMOS Arquitectura CMOS-XY. Principio de funcionamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 79 CCD con filtros de color Filtro de Bayer Los captadores son los mismos que para una imagen en blanco y negro pero se añade un filtro en la zona donde llega la luz. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 Un filtro verde, un azul y un rojo dejan pasar cada uno una única longitud de onda que corresponde a su color. La cantidad de píxeles verdes es doble debido a la sensibilidad del ojo humano 80 CCD con filtros de color Aliasing Filtro paso bajo (o anti-aliasing) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 81 CCD de color con tres CCDs OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 82 Imagen entrelazada Lectura progresiva (progresive scan) Imagen entrelazada Lectura progresiva (progresive scan) Ahora la imagen esta más nítida OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 83 Aplicaciones de los dispositivos CCD ¾ Cámaras digitales (foto, vídeo y vídeo profesional (3 CCDs)) ¾ Cámaras de IR (cooled CCDs) ¾Fototometría, sensores, espectroscopía en el UV ¾ Fotografía astrofísica (técnicas de tracking y alta velocidad) ¾Escáner-fax-fotocopiadoras (CCD’s lineales) ¾ Registro de imágenes de patrones de franjas Cátodo fotoemisivo ¾ Caracterización de haces Láser ¾ Registro de imágenes de fuentes muy débiles - e Detector CCD ΔV= 10kV ¾ Registro de imágenes de rayos X OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 84 Detectores termoeléctricos Circuito de polarización del bolómetro Bolómetro en un puente de Wheatstone OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 85 Ejemplo 1 Sobre un fotodiodo pin de silicio con una región intrínseca de anchura 10 μm, incide la luz de un laser de GaAs con energía de 1,43 eV. La potencia óptica por superficie es de 1 W/cm2. Calcular la densidad de fotocorriente en el detector, suponiendo que no hay perdidas por reflexión. Solución El flujo de fotones incidentes por superficie sobre el detector es P NP 1 18 - 2 −1 = A= = 4 , 37 x 10 cm s −19 A hν 1,43x1,6 x10 El coeficiente de absorción para el Si para una energía de 1,43 eV es ≈ 700x102 cm-1 J =q(NP /A) [1-exp-(αW)]=1,6 10-19x4,37 10-18 [1-exp-(700 102x1010-4)]=0,352A/cm2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 86 Ejemplo2 Considérese un fotodiodo de avalancha típico con los parámetros siguientes: Potencia óptica incidente P=50 mW Eficiencia cuántica η=90% Frecuencia óptica ν=4,5 10 14 Hz Voltaje de ruptura VBR=35 V Voltaje del diodo V=34 V Corriente de oscuridad IS=10nA Parámetro m para la multiplicación 2 Calcular: a) el factor de multiplicación, b)el flujo de fotones y c) la fotocorriente Solución a) El factor de multiplicación ⎡ ⎛ V M = ⎢1 − ⎜⎜ ⎢ ⎝ VBR ⎣ m ⎤ −1 ⎞ ⎟⎟ ⎥ ⎠ ⎥⎦ ⎡ ⎛ 34 ⎞ 2 ⎤ = ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢⎣ ⎝ 35 ⎠ ⎥⎦ −1 = 16,67 P 50 x10 −3 Np = = = 1,68 x1017 s −1 − 34 14 hν 6,95 x10 x 4,5 x10 b) El flujo de fotones c) La fotocorriente no multiplicada IL=ηqNP=0,9x1,6x10-19x1,68x1017 = 24,16 mA Como IS<<IL, la corriente multiplicada ITOTAL es ITOTAL=M IL = 16,67x24,16=0,4A OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 87
