Rimtautas Piskarskas. Fotodetektoriai

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Rimtautas Piskarskas. Fotodetektoriai"

Ἱερεμίας Αβραμίδης
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Rimtautas Piskarskas Fotodetektoriai Vilnius 2003

2 Fotodetektorius kas tai? Fotodetektorius tai kietakūnis jutiklis, šviesos energiją paverčiantis elektros energija. hυ E g laidumo juosta Esant net ir silpam išoriniam elektriniam laukui, fotoelektronai priverčiami judėti tam tikra kryptimi. valentinė juosta Tai ir yra fotodetektoriaus pagrindinis principas! Minimalią fotono energiją, kuria gali sugerti medžiaga, parodo tarpjuostinė energija E g λ c = (nm) E (ev) g

3 Skirtingos medžiagos skirtingos E g Kuo mažesnė E g vertė, tuo platesnį spektrinį ruožą (į ilgųjų bangų pusę) fotodetektorius mato. MEDŽIAGA E g (ev) λ c (nm) SPEKTRINĖ SRITIS Silicis 1, REGIMOJI Galio arsenidas 1, REGIMOJI Germanis 0, ARTIMA INFRARAUDONA Indžio galio arsenidas 0,73-0, ARTIMA INFRARAUDONA Indžio arsenidas 0, ARTIMA INFRARAUDONA Indžio stibidis 0, CENTRINĖ INFRARAUDONA Gyvsidabris-Kadmis 0,7-0, ARTIMA-TOLIMA INFRARAUDONA Fotodetektoriu panaudojimas: Optinėse šviesolaidinėse ryšio sistemose ( nm); Spektroskopijoje ( nm); Lazerio veikimo diapazono nustatymui ( nm); Fotonų skaičiavimui ( nm); Astronomijoje ( nm); Skaitmeninėse foto/video kamerose ( nm).

4 Fotodetektorių apibūdin dinimasimas Kvantinis efektyvumas parodo kaip efektyviai prietaisas konvertuoja krintancius fotonus i laidumo elektronus (nuo 1% (PtSi Schottky barjero infraraud. sr. detektoriai) iki 90% (InGaAs p-i-n opt. šviesol. detektoriai) Detektavimo jautris tai ne tik šviesos konvertavimo efektyvumas, bet ir galimybė detektuoti silpną šviesos signalą Atsako trukmė Parodo, kaip greitai detektorius gali reaguoti i šviesos pasikeitimus (nuo ms (PbS fotolaidininkams) iki ps (GaAs puslaidininkiniams detektoriams))

5 Puslaidininkinių fotodetektoriu tipai hυ hυ hυ izoliarorius p + p arba n tipo puslaidininkis n - puslaidininkis n + p arba n tipo puslaidininkis FOTOLAIDININKAS (photoconductor) p-i-n FOTODIODAS FOTOUŽTVARA (MOP) (photogate)

6 Fotolaidininkas Tai įrenginys, kurio laidumas didėja priklausomai nuo pašvietimo neapšvietus R hυ apšvietus R

7 Fotokonduktorių tipai Natūralus (intrinsic) Priemaišinis (extrinsic) l. j. E g v. j. E i E g l. j. Priemaišų energijos lygmuo v. j. E i < E g hυ < E g hυ < E i

8 Fotokonduktoriaus stiprinimas U L I hυ Aktyvus lygmuo Substratas anodas katodas t Kruvininkų tranzito laikas: = 2 L µ U µ krūvininkų mobilumas Fotokonduktoriaus stiprinimas: M = t t p n

p-i-n n fotodiodai Sudaryti iš n ir p tipo puslaidininkinų medžiagų tarp kurių susikuria tam tikras elektrinis laukas (V bi ), kuris priklauso nuo energetinio tarpo tarp lygmenų.

9 p-i-n n fotodiodai Sudaryti iš n ir p tipo puslaidininkinų medžiagų tarp kurių susikuria tam tikras elektrinis laukas (V bi ), kuris priklauso nuo energetinio tarpo tarp lygmenų. hυ p + V bi ~ E g Nuskurdintos srities plotis: n - puslaidininkis n + W s ( N = ε q( N A A + N N ) D D ) ( V bi U ) N A ir N D priemaišų koncentracijos p ir n sričių; U pridėta išorinė įtampa

MOP kondensatorius hυ p tipo puslaidininkis Nuskurdintos zonos plotis: izoliarorius nuskurdinta zona W ~ Φ N s D Metalas-oksidas-puslaidininkis kondensatoriuje pridėta

10 MOP kondensatorius hυ p tipo puslaidininkis Nuskurdintos zonos plotis: izoliarorius nuskurdinta zona W ~ Φ N s D Metalas-oksidas-puslaidininkis kondensatoriuje pridėta įtampa sukuria nuskurdintą sritį teigiamai legiruotame puslaidininkyje. Fotoelektronai, sugeneruoti fotoekspozicijos metu, sugaudomi nuskurdintos srities teigiamo potencialo.

11 Tamsiosios srovės Difuzinė srovė Terminiu būdu sugeneruoti nešėjai, nenuskurdintose srityse, difunduoja link nuskurdintosios srities ir tokiu būdu sukuria difuzinę srovę I dif ~ e E g kt g r E I ~ We 2 g kt Generacijos-rekombinacijos srovė Atsiranda nuskurdintoje srityje Tuneliavimo srovė Kai elektrinis laukas p-n sandūroje viršija ~10 5 V/cm, valentinėje juostoje esantis elektronas gali peršokti į laidumo juostą tuneliuoti I ~ EUe tun Θ m E 3 E g 2

- tai matrica (liniuotė) sudaryta iš daugelio MOP

12 p arba n tipo puslaidininkis izoliarorius CCD Charge-Coupled Device surištųjų krūvių įrenginys CCD - tai matrica (liniuotė) sudaryta iš daugelio MOP Fazė 1 Fazė 2 Fazė 3 Užtvariniai elektrodai SiO 2 (izoliatorius)

13 CCD krūvių pernešimas Fazė 1 Fazė 2 Fazė 3 Užtvariniai elektrodai Akumuliuoti elektronai SiO 2 (izoliatorius) Laikas = 0 Laikas = 1 Laikas = 2

14 2D CCD masyvas Nuoseklus krūvio pernešimas tarp potencinių duobių įgalina elektroninį vaizdą nuskaityti detektavimo metu iš dvimačio pikselių išdėstymo matricoje

15 CCD izoliavimas Jautrios sritys Ekranuotos sritis Išėjimo registras Ekranuota sritis

16 CMOS vaizdo sensorius (complimentary metal-oxide semiconductor) CMOS vaizdo sensorius sudarytas iš pikselių masyvo, kurių kievienas turi savo stiprintuva bei A/D keitikli. Visi šie matricos elementai sujungti į didelį multipleksorių. Pačių fotosensorių veikimas analogiškas CCD.

17 CCD ir CMOS palyginimas CCD mažiau triukšmauja CMOS mažiau jautrūs efektingas plotas iki 50% CMOS suvartoja iki 100 kartų mažiau energijos CMOS greitesni CMOS leidžia nuskaityti visą, bet ir tik dalį matricos CMOS pigesni CCD šiandien yra geresnės kokybės

18 Kaip gaunamos spalvos CCD CCD 1 CCD 2 CCD 3 CCD su filtru masyvu

12 4096 72dB 16 65536 96dB Dinaminis diapazonas 24 1677216 145dB 32

19 Dinaminis diapazonas trumpas išlaikymas Ilgas išlaikymas Bitai imtyje Galimų verčių skaičius dB dB dB dB dB dB Dinaminis diapazonas dB dB Ar didindami bitų skaičių padidinsime dinaminį diapazoną?

20 Kiek norėtumėt bitų? O kiek reikia? Bitų kiekis = dinaminis diapazonas ( )bitų 6.02 Dinaminis diapazonas = 20log10 triukšmo lygis rms ( )db maksimalus lygis rms Norint išplėsti dinaminį diapazoną reikia: Mažinti triukšmų lygį; Didinti maksimalų lygį.

21 Šaldyti! Kaip padidinti dinaminį diapazoną? Taip sumažinsime tamsiasias sroves taigi ir triukšmų lygis sumažės Didinti pikselio potencinio šulinio talpą. Šiandien gaminami iki elektronų palaikantys (skersmuo apie 1 mikrometras). Galima didinti pikselio skersmenį, tačiau taip sumažės raiška arba prireiks specialios optikos ištaisančios tamsius kampus (vignetting).

Σχετικά έγγραφα

PNEUMATIKA - vožtuvai

PNEUMATIKA - vožtuvai Mini vožtuvai - serija VME 1 - Tipas: 3/2, NC, NO, monostabilūs - Valdymas: Mechaninis ir rankinis - Nominalus debitas (kai 6 barai, Δp = 1 baras): 60 l/min. - Prijungimai: Kištukinės jungtys ø 4 žarnoms