1

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

FİZİK BÖLÜMÜ

FOTO DEDEKTÖRLER

Hazırlayan A.Kürşat Bilgili

Master:138302202

2

Foton Sayma Teknikleri

Çok düşük seviyeli sinyallerle ilgilendiğimizde fotonsayma oldukça faydalı bir tekniktir.

Eğer katot kuantum verimi birse (1), bu durumdafotokatoda her çarpan foton, anottaki her bir akımatmasında arıtışa sebep olur.

Belli fotoyükseltici tasarımları için bu akım atmalarınınbüyüklüklerinin tanımlı limitlere oldukça yakın kaldığıgürültü atmalarının ise daha büyükçe genlik dağılımınasahip oldukları bulunmuştur. Tipik bir sinyal ve gürültüiçeren atma yüksekliği dağılımı Şekilde gösterilmiştir

3

Bir foton sayma sistemi temelde bir atma yüksekliği ayırıcısına çiftlenmiş hızlı bir

atma sayıcısı içerir.

Atmalar önceden konulmuş belli limitlerin dışında olduklarında sayıcı tarafından

ihmal edilirler.

Bundan dolayı, sadece çok iyi tanımlı sinyal piklerinin içinde kalan sinyallerin

kabul edilmesiyle, sinyal / gürültü oranında oldukça iyi bir iyileştirme yapmak

mümkündür

4

Eğer tespit edilecek ışık sinyali açık / kapalı olacak

şekilde kesilecekse, bu durumda taban gürültü

seviyesinde başka bir indirgeme, hem sinyal ve

hem de gürültü saymaları varken, sayma oranından

(miktarından) sinyalin uzakta olması durumunda

sayma oranının çıkartılmasıyla elde edilebilir.

5

3.DEDEKTÖR PERFORMANS

PARAMETRELERİ

Kuantum Verimliligi (Quantum Efficiency)

Dedektör Cevap Süresi (Responsivity)

Kazanç (Gain)

Spektral Duyarlılık

Detectivity

6

2.1.Fotoiletken dedektörler

7

8

Bant aralığı enerjisi

Silikon için 1,11 eV,

Germanyum için 0,67 eV,

GaAs için 1,42 eV

InGaAs için 0,75 eV tur.

Böylece kesikli dalga boyları 1,13µm, 1,85µm, , 1,65µm

olarak bulunur.

λc=hc/Eg

λc=1,24/Eg (eV)

9

Detektörleri Tanımlayan En Önemli Karakteristik

Özellikler

Kuantum Etkinliği; bir dedektörün üzerine düşen ışınım mikatarının ne kadarına yanıt verdiğini ifade eder. Genelde QE ile gösterilir ve QE= ölçülen foton sayısı/gelen foton sayısı ile tanımlanır.

Tayfsal Yanıt; bir dedektöre farklı dalgaboylarında fakat eş enerjili ışınlar gönderdiğimizde, çıkışında elde edilen yanıt dalgaboyuna göre değişecektir. Yani dalgaboyuna göre dedektörümüzün yanıt verme verimliliğini tanımlar.

Gürültü; ideal olarak, çıktı sinyali gelen foton sayısı ile doğru orantılı olmalıdır. Ancak çıktı sinyalinde daima belirsizlikler olacaktır. Bu belirsizlikler genelde “Gürültü” olarak adlandırılır. Bu belirsizlik Sinyal/Gürültü Oranı (S/N) parametresi ile ölçülür. Temel gürültü kaynakları: (1) Gözlenen kaynaktan gelen foton gürültüsü, (2) Aletsel gürültü.

10

Dedektivite

Dedektivite dedektör alanına ve elektriksel bant aralıgınaoranlanmıstır ve dedektör performansını belirlemek için yeterlidir.

Tepkisellik ve dedektivite tek piksel dedektör performansını belirlemek için yaygınolarak kullanılan göstergelerdir.

Dedektivite=tepkisellik*alan*frekans/gürültü

11

FOTODİYOT

Fotosalıcı Aygıtlar.

Kritik bir değerden daha düşük bir dalga boylu radyasyon bir metal

yüzeyine geldiğinde elektronların salındığı bulunmuştur, bu foto salma

veya fotoelektrik etki olarak adlandırılır.

e

hv

E

e

Vaküm seviyesi

Metal

Foton

12

hv enerjili bir foton metale girerse soğurulabilir ve enerjisini bir elektrona verebilir. Elektronun yüzeye ulaşabileceği ve iş fonksiyonunu göstermek üzere eile verilen yüzey potansiyel engeliniaşacak enerjiye sahip olması garanti edilirse elektron yüzeyden kaçabilir.

Eğer elektron başlangıçta Fermi seviyesindeyse salınma durumundaki kinetik enerjisi

E =hv-e

13

ile verilir. Bununla birlikte elektronbaşlangıçta Fermi seviyesinin altında olabilirve salınma önce elastik olmayançarpışmalardan olumsuz yönde etkilenebilir.hv< e olduğunda veya >hc/ e hiçbirelektron salınması olmayacaktır. Eğeruyarılmış elektronların elastik olmayançarpışmalarının ihtimali yüksekse böylecebunların bir kısmı kaçabilirler. (Yayınlananelektronların soğurulan fotonlarınsayısına oranı Kuantum ürünü veyakuantum verimi olarak adlandırılır.)

14

Saf metaller yüksek iş fonksyonları ve düşük kuantum verimlerine %10 sahip olduklarından nadiren pratik fotokatodlar olarak kullanılınırlar ve sezyum B si düşük değere sahip olan elemandır (2.11ev). Pratik fotosalıcı yüzeyleri iki guruba ayırabiliriz.

a-Eski klasik tipler

b-Yeni negatif elektron çekici tipler NEA.

15

A- Birincisi gruptaki alkali metaller (genelde Cs içeren) ve bir veya daha fazla periyodik tablonun V. grubundan metalik elementmesela Sb içeren buharlaştırmayla oluşturulmuş bir ince tabakayı içerir bunlar S sayısıyla gösterilir. Elektron yüzeyden kaçmak için en azından Eg + X lık bir enerji kazanmak zorunda olur. Burada Eg enerji aralığı ve X elektron Çekiciliğidir. Örneğin NaKCsSb (S20) maddesinde Eg = 1ev ve X = 0.4ev tur. Böylece gözlenene yakın 1.4ev luk bir foton enerjisinin eşik değerine sahip olunmaktadır.

16

17

18

19

20

21

B- Band bükülmesi yarıiletken enerji aralığı içinde bulunan durumlardan meydana gelir. Bir p-n ekleminde p-maddesi içinde oluşan çokça benzer tarzda, yüzeyde bir ayrılma (depletion) bölgesi oluşur. Ayrılma bölgesi boyunca potansiyel düşme şeklinde band bükülmesi olur.

22

Xeff = X – Vs

23

NEA FOTOKATODLAR

Pratikte NEA fotokatotları ince bir sezyum veya oksit tabakanın buharlaştırma yoluyla yarıiletken yüzey üzerinde konulmasıyla oluşturulur. GaAs kullanan fotoaktotlar başarılı olarak kullanılmışlardırlar. Bunlar GaAs ın enerji aralığına karşılık gelen bir dalga boyuna=0.9(micrometer) kadarlık yüksekce kuantum verimleriyle çalışırlar. Şu ana kadar herhangi bir seviyedeki kuantum verimiyle 1.1m veya üzerinde çalışabilecek NEA fotokatot yapabileçeği ispatlanmamıştır. Düşük fiyat sebebiyle görünür bölgede klasik tiplere göre üstün özelliklere sahiptirler.

24

CCD (Charge-coupled device)

Maksimum duyarlılık için görüntü alanındaki resim noktalarının bir-bir karşılığı veren ve yeterli sayıda dedektör elemanından oluşan iki boyutlu dedektör dizini kullanılmaktadır.

25-50 um piksel genişliği, 320x240, 512x512 (IR)

10 um piksel genişliği, 5120x5120 (Görünür)

25

CCD (Charge-coupled device)

CCD; ince silikon bir tabakanın binlerce veyamilyonlarca ışığa duyarlı bölgelere ayrılarak (piksel ) görüntü bilgisinin toplandığı ve iletildiğifoton detektörü ve yük iletim sisteminden oluşur.Amaç görüntü bilgisini yüksek çözünürlüktedepolamaktır.

CCD sistemlerin en büyük avantajı istenengörüntünün anında kaydedilebilmesidir.

26

Bir CCD ‘de görüntü oluşumu 4 temel aşama veya fonksiyondan meydana

gelir:

Fotona hassas bölgede yük oluşumu ( MOS tüketim bölgesi)

Serbest yüklerin depolanması ( Potansiyel kuyusu)

Yük transferi ( Elektrotlar )

Yük ölçümü (Readout Node)

27

CCD’nin Çalışma Prensibi

Bir CCD’nin bir görüntü üretmesi için yapması gereken 4 şey vardır:

• Yük üretimi Fotoelektrik Etki, fotonların yakalanması

• Yük Toplama pikseller: (kapı olarak adlandırılan) elektrotlardan

oluşmuş alan, elektronların biriktirilmesi • Yük aktarımı Kapılar yoluyla bir fark akımının

uygulanması. Sinyal elektronlarının dikey kayıt birimlerinden (sütunlar)

aşağıya doğru yatay kayıt birimine aktarılması. Her satırın yonga-üzeri yükseltici tarafından

ardıardına okunması. • Yükün algılanması Her bir yük paketinin bir çıkış

voltajına dönüştürülmesi ve sayısal olarak kaydedilmesi. Birim ADU

28

CCD’nin artıları ve eksileri

Artıları: Piksel başına toplanan yükle gelen foton akısı arasında doğrusal ilişki

olması. 65565 elektrona kadar yük biriktirme kapasitesi (full well capacity) ile

büyük bir dinamik aralığa sahip olması. Bir çok modern inceltilmiş/arkadan aydınlatmalı alette %100’e varan

çok yüksek bir kuantum etkinliğine ulaşılabilmesi. Verinin alınır alınmaz doğrudan bilgisayar yardımıyla işlenebilmesi. Uzun zaman aralıkları boyunca ışık toplayabilmesi. Yonga-üzeri satır/sütun birleştirme (on-chip binning) yoluyla CCD

üzerinde sinyal işlenebilmesi. CCD’nin Sıvı Azot sıcaklıklarına kadar (77 K) soğutulmasıyla ısısal

gürültünün çoğunun yokedilebilmesi. Ayrıca, CCD’lerin doğrusal (ve sayısal) olması nedeniyle bir çok pozun Poisson gürültüsünü azaltmak amacıyla birleştirilebilmesi.

Özelliklerinin `ideal’ algılayıcıya çok yakın olması.

Eksileri:Oldukça pahalı olması. Bilimsel amaçlı 1K x 1K boyutlarında

küçük bir CCD için bile 10,000 $.Aynı türden her CCD’nin genel özellikler bakımından benzer

ama eşdeğer olmaması

29

CCD’nin Yapısı

CCD’nin görüntü alanı merceğin

odak düzlemine konur.

Böylece bir elektrik yük

deseninden oluşan görüntü elde

edilir.

Poz süresi sonunda bu desen,

yonga üzerindeki seri kayıt

bölümü yoluyla, pikseller

olarak aktarılır.

Dış ortamla elektrik bağlantıları

seri bağ birimleri ve yonganın

çevresindeki ince altın tellerle

sağlanır.

Bağlantı uçları

Altın bağ telleri

Bağlantı birimleri

Silikon yonga

Metal,seramik ya da plastik paketGörüntü alanı

Seri kayıt birimi

Yonganın yükseltici birimi

CCD’nin Yapısı

30

Bir piksel

Görüntünün sütunlarını tanımlayan kanal stopları

Pikselleri düşey

olarak tanımlayan

yatay elektrotlar.

Bunlar aynı zamanda

okuma sırasında yük

aktarımı için de

kullanılmaktadır.

Plan Görünümü

Kesit

Burada bir CCD’nin görüntü alanının bir kaç piksellik küçük bir bölümü görülmektedir.

Bu desen yonga boyunca yinelenir.

Elektrot

Yalıtıcı oksit

n-türü silikon

p-türü silikon

Her üç elektrot birbirine bağlanmıştır. Yonganın kenarından aşağı inen “Bus” telleri

bağlantıyı sağlar. Kanal stopları silikon içindeki yüksek yoğunluklu Boron’dan oluşur.

CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

31

Seri kayıt birimi’nin sonundaki

yonga-üzeri yükseltici

Seri Kayıt Birimi’nin kesiti

Görüntü Alanı

Seri Kayıt Birimi

Seri Kayıt Birimi’nde her üç

elektrot birbirine bağlıdır.

Aşağıdaki görülen görüntü alanı (yatay elektrotların yeraldığı alan) ‘Seri kayıt

birimi’dir. Bu aynı zamanda bir gurup küçük yüzey elektrotundan oluşur. Görüntü

alanının her sütunu için üç elektrot bulunur.

CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

32

Seri kayıt birimi, çıktı

yükselticisini yonganın

kenarından uzağa

hareket ettirebilmek

için ikiye katlanmıştır.

Oklar, yükün alet içinde

nasıl aktarıldığını

göstermektedir.

Sili

con’u

n

kenarı

160m

Görüntü Alanı

Seri Kayıt Birimi

Okuma Yükselticisi

Bu

s t

elleri

Bir EEV CCD’nin bir köşesinin mikrofotoğrafı

CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

33

OD

OS

RDRSW

Çıktı

Düğümü

Topraklama

Çıktı

Transistörü

Sıfırlama

Transistörü

Toplama

Kuyusu

20 mÇıktı Kanalı (OD)

Çıktı Kaynağı (OS)

Çıktı Transistör Kapısı

Çıktı Düğümü

R

Sıfırlama Kanalı (RD)

Toplama Kuyusu (SW)

Seri Kayıt Birimi’ndeki son elektrotlar

Seri Kayıt Birimi Elektrotları

Bir Tektronix CCD’sinin yonga-üzeri yükselticisinin mikrofotoğrafı ve devre çizimi.

CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

34

CCD’lerin Tayfsal Duyarlıkları

Bir cisim zenitteyken bakıldığında,

atmosferin geçirgenliğini yandaki gibidir.

Atmosfer, tayfın yakın moröte

bölgesinde, 330 nmnin altı yöresinde

çok soğurucudur. Kusursuz bir CCD,

330 nmden yaklaşık olarak 1000 nmye

kadar iyi bir duyarlığa sahip olmalıdır.

CCD’lerin üretiminde kullanılan silikon

1000 nmde saydamdır ve bu nedenle

de duyarsızdır.

Dalgaboyu (Nanometre)

Atm

osfe

rG

eçirg

en

liği

Geliştirme için geçen son 25 yıl içinde, CCD’lerin duyarlığı görsel bölge tayfı içinde

kalan hemen hemen tüm fotonların algılandığı noktaya kadar çok fazla ilerlemiştir.

CCD duyarlığı, iki temel yöntem kullanılarak arttırılmıştır : ‘inceltme’ (thinning) ve

yansıma-engelleyici kaplamaların (anti-reflection coating) kullanımı.

CCD’lerin Tayfsal Duyarlıkları

35

CCD lerin kalbinde ışığa duyarlı metal oksit yarıiletken kapasitörler bulunur. (MOS) Üç bileşenleri vardır:

Metal elektrot ( kapı)

Yalıtkan film (Silikondioksit)

Silikon Taban

36

P-tipi kristal üzerine silikon dioksit kapladıktansonra metal elektrot yerleştirilmiştir. Basit bir hücre(cell) yapısı elde ederilir.

Metal elektroda pozitif bir gerilimuygulandığında, p-tipi silikon altta bulunançoğunluk taşıyıcı holler, silikonun yüzey bölgesinedoğru itilir ve yüzey bölgesinde bir depletiontabakası oluşur.

Denge şartından dolayı, azınlık taşıyıcıelektronlar ,elektrodun altında bulunan Si-SiO2arayüzüne dolarlar. Bunun anlamı elektronlar içinSi-SiO2 arayüzünde bir potansiyel kuyusuoluşmaktadır.

37

38

Pikseldeki yükün anlamlı olması için bütünlüğününkorunarak işlenme noktasına taşınmasıgerekmektedir.

Etkin ve hızlı bir yük transferi kadar hızlı bir işlemmekanizması CCD’ler için kritik bir fonksiyondur.Yönlendirici voltaj elektrot kapılar kullanılarak, yüklerbir kapasitörden diğerine aktarılır.

Hücreler matris şekilde düzenlenilirse, her satırda olantoplanmış yük sıra ile çıkış sütununa aktarılır sonradabu sütun tekrar kaydırılarak sıra ile okunur. Böylecematris üzerinde olan her hücre adresleri ile birlikteokunmuş olur.

39

40

41

Ccd video

42