DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 1

Transcripción

1 DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 1

2 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 Detectores pìroelétricos OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 2

3 FOTODETECTORES OBJETIVO Exponer los principios fundamentales de funcionamiento, conceptos y técnicas para caracterizar, modelizar y aplicar los Fotodetectores OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 3

4 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 4

5 Requerimientos en fotodetectores Alta sensibilidad en la longitud de onda de operación Gran respuesta eléctrica a la señal óptica recibida alto rendimiento cuántico Bajo tiempo de respuesta gran ancho de banda (respuesta temporal corta) Ruido mínimo Estable independiente de cambios en las condiciones ambientales Pequeña dimensión (acoplamiento eficaz a la fibra) Bajo costo Alta fidelidad reproducción exacta de la señal óptica en un amplio margen Baja tensión de funcionamiento Fiabilidad OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 5

6 Esquema básico de detección OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 6

7 Esquema básico de detección Preamplificador provee al circuito siguiente de la señal adecuada (señal recibida puede ser muy débil) Ecualización para favorecer frecuencias atenuadas por el restringido ancho de banda del preamplificador Control automático de ganancia provee nivel promedio del señal independiente de la potencia de llegada OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 7

8 Características de un fotodetector Responsividad R λ V P I P [ V/W] o R = [ A/W] = λ luz luz Potencia equivalente al ruido NEP = V R N λ o NEP = I R N λ Detectividad específica D ( A f ) * Δ = NEP 1/ 2 Tiempo de respuesta Eficiencia cuántica f 3dB = 0,35 t R 1 2πτ = h c Rλ η. R = e λ λ μm λ λ 1,24 donde ( ) h c E g OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 8

9 Responsividad Responsividad(A/W) Longitud de onda (µm) Responsividad(A/W) Longitud de onda (nm) A B Responsividad(A/W) Longitud de onda (nm) Fotodiodo de Ge Fotodiodos comerciales de Si Fotodiodo pin de InGaAs OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 9

10 Responsividad(A/W) Responsividad Longitud de onda (nm) Silicio adecuado para ventana de 0.85 μm Ge y InGaAs adecuados para 2 a y 3 a ventana Ge tiene corriente de obscuridad mayor ( C, 1 40 C) comparado con InGaAsP: corriente de obsc. 0.2 na OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 10

11 Detectividad específica D * (mhz 1/2 W -1 ) Límite de ruido de fondo (300 K) λ(µm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 11

12 Detectividad específica de Fotodiodos extrínsecos Detectividad cm W -1 Hz 1/ Longitud de onda λ (μm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 12

13 Eficiencia Cuántica en Fotodiodos % Eficiencia cuántica η Longitud de onda λ (μm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 13

14 Ruido OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 14

15 BER BER = Bit Error Rate = probabilidad de que un 1 esté decodificado como un 0 y viceversa Número de errores BER = Número de bits transmitidos Todas las probabilidades de errores de protocolos en niveles más altos pueden ser deducidos del BER S/R (Signal to Noise Ratio) está relacionado con el BER pero la relación es diferente para diferentes tipos de modulación o de receptor S/R eléctrico igual al doble de SNR óptico P I P P opt señal elect 1 elect S/ R = 10 log = 10 log = 10 log = 10 log = opt P σ P 2 P N i N elect N elect 1 2 S/R elect P N : potencia del ruido σ i : desviación de corriente a causa del ruido OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 15

16 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 = 10-9 si Q = 6, BER = si Q = 8 BER e 2 Q 2 Q 2π Q 2 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

17 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 17

18 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 rt e N! OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 18

19 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 = rt BER = Prob(0 /1) + Prob(1/ 0) = (0 ) + e = e -rt 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 =34 fotones Potencia requerida sube cuando bit rate sube (vea gráfico) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 19

20 Limite Cuántico BER OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 20

21 Absorción de fotones: conservación del momento k2-k1=2π/λ Detección de luz generación par electrón-hueco al incidir un fotón E E Fotón E C Fotón Fonón E g E C hν E g EV hν E V K=0 k K=0 k Gap directo Gap indirecto 1 Coeficiente de absorción: α = ( ) ( ) 3 * 2 n 2 m r 1 α( ν) = P ν ( hν E g ) 2 l 2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 F π h c 21

22 Absorción de fotones: conservación de la energía E2-E1=hν E C Fotón E g Cambios de energía E V 1-Generación electrón-hueco libre Transición BV-BC directas e indirectas E E g α cm -1 2-Generación electrón-hueco libre Transición BV-BC directas e indirectas E >> E g α cm Generación excitón libre Absorción excitónica 4- Electrón- ión aceptor Absorción por electrones asociados a 5- Ión donador ión aceptor niveles de impurezas α 10 3 cm -1 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 22

23 Diagrama de bandas Ge Si GaAs Gap indirecto Gap indirecto Gap directo OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 23

24 Frecuencia Longitud de onda Frecuencia Longitud de onda Ultravioleta Ultravioleta Visible Infrarrojo Infrarrojo OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 24

25 Energía y longitud de onda del gap para λ λ hc E g = = g diversos semiconductores 1,24 E ev g [ ] [ μm] Respuesta relativa del ojo Infrararrojo Visible Ultravioleta E g (ev) 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4 3,6 λ(μm) 6,0 3,0 2,0 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,45 0,35 InGaAs CdTe CdS GaN InSb PbS Ge Si GaAs CdSe GaP SiC ZnS HgCdTe GaAsP OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 25

26 Variación n del coeficiente de absorción Longitud de onda (μm) Coeficiente de absorción α(cm -1 ) InGaAs GaInAsP Energía fotónica (ev) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 26

27 Efecto de la reflexión y la absorción en la eficiencia cuántica n aire =1 Rayo Rayo incidente reflejado Fotones hν Reflexión y absorción Φ F incidentes n semiconductor Rayo refractado d x x Φ F refractados Φ F transmitidos Coeficiente de reflexión r = n 1 n Eficiencia cuántica ext η e = (1-r)η i (1-e -αd ) η e = I P q hν P Flujo de fotones refractados Fotocorriente Φ F (0) =Φ F (1-r) Φ F (x) =Φ F (1-r) e -αx ηqp hν = λ OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 27 λ I P

28 I P = Fotocorriente q(1 r) ηip hν λ ( αd 1 e ) [ A] P λ : potencia óptica incidente r: coeficiente de reflexión en interfaz aire-semiconductor. Se agrega capa antirreflectante para disminuir r α: coeficiente de absorción (debe ser alto para una buena conversión de luz a corriente) x: distancia que la luz debe recorrer antes de llegar a la región de absorción d: espesor de la región de absorción OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 28

29 Absorción para varios semiconductores Energía fotónica (ev) Coeficiente de absorción α (m -1 ) Si a-si:h Ge In 0.7 Ga 0.3 As 0.64 P 0.36 GaAs InP In 0.53 Ga 0.47 As Longitud de onda (μm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 29

30 Dispositivos fotónicos Fotones hν Dispositivos fotoemisor Fotodiodo de vacío OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 30

31 Dispositivos fotoemisores - Fotocátodos S1 (AgOCs) S11 (SbCsO) S20 (SbNaKCs) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 31

32 Dispositivos fotónicos - Fotomultiplicadores Cátodo Tablilla Rejilla Cátodo Rejilla Ánodo a) de persiana b) de caja y rejilla Cátodo Cátodo Ánodo Ánodo c) enfoque líneal d) enfoque jaula circular OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 32

33 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

34 Dispositivos fotónicos -Fotoconductor Fotones hν D o L V p = p o + Δ p n = n + Δn A W Ip Electrodos = P = c p G 1 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 I PL ttt μn 34 hν Semiconductor I P = Aislante Símbolo Fotocorriente qg I L τ c ttt μ p 1 + μn τ μ + AL Ganancia fotoconductiva

35 Célula fotoconductora de CdS OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 35

36 Materiales fotoconductores Fotoconductores intrínsecos Ultravioleta GaN, SZn Visible CdS, CdSe, CdTe Infrarrojo InGaAs/InP PbS, PbSe, PbTe InSb HgCdTe 0,5 a 0,7 μm 1 a 1,6 μm 1 a 5 μm 7 μm T = 77 K 5 a 14 μm Fotoconductores extrínsecos Ge 10 a 100 μm impurificado con: Au, Cu, Hg, Cd, B OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 36

37 Dispositivos fotónicos. Detector de unión p-n V R Fotones hν P n Símbolo E E Región de deplexión x E C hν n p (x) W E V p n (x) G L τ n G L τ p n p0 p n0 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 37

38 Fotodiodo- Modos de separación de la carga I S Modo fotovoltaico Modo fotoampérico OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 38

39 Fotodiodo- Modos de separación de la carga i ext Corriente de oscuridad, I S II I R L Φ e i ext V V D Φ e III IV Corriente con luz, i P Modo fotoconductor OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 39

40 Respuesta del fotodiodo a la generación n de pares electrón-hueco Fotones hν I P L n W L p 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

41 Circuito equivalente del fotodiodo. i p : fotocorriente D : diodo ideal R sh : resistencia a corrientes superficiales C T : capacidad de transición R s : resistencia zonas neutras Modo fotoampérico OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 41

42 Característica del fotodiodo R s i ext R L i P i D i sh i c + V ext D R sh C d V R L - i ext Φ e i ext V ext i ext I q( V R KT I) S = S exp 1 i P Corriente de oscuridad, I S II I V D i ext = I S i P Φ e Corriente con luz, i P III IV OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 42

43 Responsividad Responsividad (A/W) Fotodiodo ideal QE = 100% (η = 1) λ g Fotodiodo de Si Longitud de onda (nm) QE: eficiencia cuántica OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 43

44 Fotodiodo p + n Fotones hν p + n n + V >>V 0 y N A >>N D x n = 2ε 0ε qn r D V 1 / 2 x p = 2ε 0 ε r qn VN 2 A D 1 / 2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 44

45 Diodo p-i-n Fotones hν i Absorción E r0 (1-r) I dif E r0 (1-r)e -αx x E C I dif Iarrastre EV OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 45

46 Selección n 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: Minimizar la reflexión en la superficie Maximizar la absorción en la zona de carga espacial Minimizar la recombinación de portadores Minimizar el tiempo de transito OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 46

47 Fotodiodos p-i-n de tipo mesa InGaAs λ=1,55μm α=10 4 cm -1 W i = 2α -1 = 2 μm Coeficiente de absorción α(cm -1 ) Longitud de onda (μm) GaInAsP InGaAs Energía fotónica (ev) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 47

48 Limitación de la velocidad de respuesta Velocidad de desplazamiento (cm/s) T=300 K In 0,53 Ga 0,47 As InP GaAs Ge Ge In 0,53 Ga 0,47 As Electrones Si Huecos Campo eléctrico (V/cm) Tiempo de transito t tt =W/v sat v sat =μ n. E Alta velocidad W pequeña OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 48

49 Limitación de la velocidad de respuesta Capacidad de transición εa C T = W Constante de tiempo τ RC = R L C T R s i ext R L i P i D i sh i c V D R sh C T Tiempo de respuesta τ 2 = t 2 tt + τ 2 RC Máxima velocidad de respuesta: RC OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 49 t tt = τ

50 APD. Multiplicación por avalancha Energía del electrón P 3 Fotón 1 2 A B D Inyección de portadores E Tiempo C E g E C N E V Distancia Zona de deplexión OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 50

51 Coeficiente de ionización Coeficiente de ionización (cm -1 ) α p Ge Si α n α n Si α p Campo eléctrico (x10 5 V cm -1 ) Factor de multiplicación M = M = 1 I I i 1 V V BR m m=cte, depende del diseño OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 51

52 Fotodiodo de avalancha. SAM APD Fotones hν Avalancha Absorción Wav W abs n + p π p + E x Campo eléctrico E C E g E V OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 52

53 Estructuras SAM APD de Si n+ p Capa antireflectante Anillo de guarda n n+ p Electrodo SiO 2 n π ( a) (b) p + Substrato Electrodo Ruptura por avalancha π p + Substrato Electrodo (a) Sin anillos de guarda. (b) Con anillos de guarda Evita las corrientes de fuga en el borde de la unión OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 53

54 Fotodiodo de avalancha. SAM APD Heterounión hν E C E g1 p + E V n + E C E V E g2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 54

55 Fotodiodo de avalancha. SAGM APD Heterounión Pasivación Fotones hν Contactos p p + InGaAs n - InGaAsP p+ InP n - InP n - InGaAs n + InP n + InP substrato Tiempo de respuesta Contactos n ps SAGM, separate absortion grading and multiplication Aplicado en sistemas de comunicación OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 55

56 Estructura de mesa APD SAGM Photon Electrode Electrode n In 0.53 Ga 0.47 As (5-10μm) Absorption layer Graded n InGaAsP (<1 μm) N InP (2-3 μm) Multiplication layer. P + InP (2-3 μm) Buffer epitaxial layer P + InP Substrate Esquema simplificado de una estructura de mesa APD SAGM OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 56

57 Comparación entre APD Parámetro Símbolo Unidad Si Ge InGaAs Longitud de onda λ µ m Responsividad R A/W Ganancia APD M Corriente de oscuridad I d na Tiempo de subida tr ns Ancho de banda Δf GHz OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 57

58 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 Tema 3 58 Según gráfica el mejor

59 Silicio Germanio InGaAs GaInAsP Materiales para fotodiodos E g =1,1ev g =1,1ev Gap Gap indirecto. Visible Visible e e infrarrojo Altas Altas prestaciones en en diodo diodo de de avalancha en en LAN LAN No No puede puede trabajar trabajar en en λ=1,3 λ=1,3 y 1,55 1,55 μm μm Gap Gap indirecto. Sensor Sensor de de infrarrojo Puede Puede trabajar trabajar en en λ=1,3 λ=1,3 y 1,55 1,55 μm μm Baja Baja sensibilidad y corriente oscura oscura alta alta Gap Gap directo directo crecidos sobre sobre InP InP Puede Puede trabajar trabajar en en λ=1,3 λ=1,3 y 1,55 1,55 μm μm Utilizados en en heterouniones HgCdTe InAs ; InSb Gap Gap directo, directo, no no crecen crecen sobre sobre InP InP Trabaja Trabaja en en λ=1,3 λ=1,3 y 1,55 1,55 μm μm,, visión visión nocturna e e imágenes térmicas. Alta Alta corriente de de oscuridad, necesita necesita enfriamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 59

60 Tipo Fotodiodo Planar Diodo Pin Diodo Avalan cha Unida des Material Si Ge GaAsP InAS InSb Si Si - Espectro 0,19-1,1 0,7-2 0,3-0,76 0,5-4,5 0,5-5,5 0,3-1,1 0,4-1 μm Respues ta max 0,56-0,98 1,5-1,8 0,64-0,71 3,5 5,3 0,8-0,96 0,8 μm Respons ividad Tiempo de respuest Aplica ción A,B,C D,E A/W x x10-3 E A,B,F C C A,D A,D,F μs A Radiometría en general B Fotometría C Células solares D comunicaciones E Sensores en IR F Sensores en ultravioleta OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 60

61 Fototransistor hν +V CC colector base (no conectada) emisor V 0 Ganancia como el APD, pero más ruido. Tiempo de respuesta muy limitado Buena sensibilidad. Menor linealidad. Mucha variación con la temperatura R L OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 61

62 Fototransistor. Energía de bandas y representación de corrientes Emisor Base Colector hν I E E I CO C α F I E V CC I B R L B OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 62 I C

63 Estructuras de un Fototransistor (a) Fototransistor de silicio (b) Fototransistor n-p-n hecho con una heterounión InGaAs/InP OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 63

64 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

65 CCD La base de los dispositivos CCD son los capacitores MOS Metal Óxido + V Contacto eléctrico Barrera de separación de canales Semiconductor (Silicio dopado ) portadores minoritarios Zona vaciada p Barrera de separación de canales Matriz CCD Fotodetector. Elemento Espesor (μm) Electrodo 1-2 Zona de vaciamiento 5 Óxido 1-2 Semiconductor 50 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 65

66 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

67 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 Ix () Qx () sensor de carga La transferencia puede ser: Dos fases Tres fases Cuatro fases V() t OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 67

68 CCD de tres fases. Transferencia de carga PUERTAS t= t 1 potencial t= t 2 t= t 3 t= t 4 Mal control del potencial de superficie. Problemas con las transferencias OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 68

69 CCD de cuatro fases. Transferencia de carga PUERTAS t= t 1 potencial t= t 2 t= t 3 t= t 4 La CCD de cuatro fases presenta los siguientes problemas: Barrera de potencial doble entre paquetes durante todo el proceso Estructura solapada entre puertas, no hay espacio entre puertas OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 69

70 CCD de dos fases. Transferencia de carga OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 70

71 Inconvenientes y ventajas de los CCD VENTAJAS Alto grado de integración Gran sensibilidad INCONVENIENTES Problemas asociados al rango dinámico. Saturación, Blooming (emborronado) Linealidad Robustez Alta eficiencia en la transferencia de carga Salida fácilmente adaptable a formatos estándar Posibilidad de Crosstalk (un fotón puede provocar un par e-h en una zona no deseada) Corriente de oscuridad ( se puede solucionar enfriando el dispositivo) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 71

72 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

73 CCD Arquitectura Sensor de imagen superficial: CCD de transferencia de imagen Δx Barreras aislantes Δy Matriz detección φ 1 φ 2 φ 3 Sección de formación de imagen Toda la matriz se descarga de una vez a una matriz igual salida Sección de almacenamiento de carga Zona ópticamente aislada Registro de lectura de salida OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 73

74 CCD de transferencia de imagen (frame transfer) Principio de funcionamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 74

75 CCD Arquitectura Sensor de imagen superficial: CCD de transferencia interlineal Puertas de transferencia Registros de transferencia Matriz ópticamente aislados detección Δx Línea par Línea impar salida Δy 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 Registro de lectura de salida OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 75

76 CCD de transferencia interlineal (interline transfer) Principio de funcionamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 76

77 Comparación entre la transferencia de imagen y la transferencia interlineal Transferencia de imagen Transferencia interlineal Tiempo de integración 20 μs CCIR 16.7 μs NTSC 40 μs CCIR 100 μs NTSC Tiempo de transferencia μs 1-3 μs Factor de llenado 100 % % #pixels Respuesta a frecuencias espaciales elevadas 500x x4000 MALA 500x x2000 BUENA Aliasing, Moire POCO MUY RESALTADO OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 77

78 CMOS Arquitectura OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 78

79 CMOS Arquitectura CMOS-XY. Principio de funcionamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 79

80 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. 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 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 80

81 Aliasing CCD con filtros de color Filtro paso bajo (o anti-aliasing) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 81

82 CCD de color con tres CCDs OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 82

83 Imagen entrelazada Lectura progresiva (progresive scan) Imagen entrelazada Lectura progresiva (progresive scan) Ahora la imagen esta más nítida OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 83

84 Aplicaciones de los dispositivos CCD Cámaras digitales (foto, vídeo y vídeo profesional (3 CCDs)) Cámaras de IR (cooled CCDs) Fototometría, sensores, espectroscopía en el UV Fotografía astrofísica (técnicas de tracking y alta velocidad) Escáner-fax-fotocopiadoras (CCD s lineales) Registro de imágenes de patrones de franjas Cátodo fotoemisivo Caracterización de haces Láser Registro de imágenes de fuentes muy débiles e - ΔV= 10kV Detector CCD Registro de imágenes de rayos X OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 84

85 Detectores termoeléctricos Circuito de polarización del bolómetro Bolómetro en un puente de Wheatstone OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 85

86 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 N P A P = A = s hν 1,43x1,6 x = 4,37x10 cm 19 El coeficiente de absorción para el Si para una energía de 1,43 ev es 700x10 2 cm -1 J=q(N P /A) [1-exp-(αW)]=1, x4, [1-exp-( x )]=0,352A/cm 2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 86

87 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, Hz Voltaje de ruptura V BR =35 V Voltaje del diodo V=34 V Corriente de oscuridad I S =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 b) El flujo de fotones N p c) La fotocorriente no multiplicada M = 1 V V BR I L =ηqn P =0,9x1,6x10-19 x1,68x10 17 = 24,16 ma Como I S <<I L, la corriente multiplicada I TOTAL es I TOTAL =M I L = 16,67x24,16=0,4A 34 = 1 35 = 16,67 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 3 87 m P = = s h ν 6,95x10 x4,5x x = 1,68x