1

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK BÖLÜMÜ

FOTO DEDEKTÖRLER Hazırlayan A.Kürşat Bilgili Master:138302202

2

Foton Sayma TeknikleriÇok düşük seviyeli sinyallerle ilgilendiğimizde foton sayma oldukça faydalı bir tekniktir.

Eğer katot kuantum verimi birse (1), bu durumda fotokatoda her çarpan foton, anottaki her bir akım atmasında arıtışa sebep olur.

Belli fotoyükseltici tasarımları için bu akım atmalarının büyüklüklerinin tanımlı limitlere oldukça yakın kaldığı gürültü atmalarının ise daha büyükçe genlik dağılımına sahip oldukları bulunmuştur. Tipik bir sinyal ve gürültü içeren 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 eVInGaAs 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 e∅ ile verilen yüzey potansiyel engelini aşacak 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 elektron başlangıçta Fermi seviyesinin altında olabilir ve salınma önce elastik olmayan çarpışmalardan olumsuz yönde etkilenebilir. hv< e∅ olduğunda veya λ>hc/ e∅ hiçbir elektron salınması olmayacaktır. Eğer uyarılmış elektronların elastik olmayan çarpışmalarının ihtimali yüksekse böylece bunların bir kısmı kaçabilirler. (Yayınlanan elektronların soğurulan fotonların sayısına oranı Kuantum ürünü veya kuantum 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 element mesela 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 1.1µm 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 veya milyonlarca ışığa duyarlı bölgelere ayrılarak ( piksel ) görüntü bilgisinin toplandığı ve iletildiği foton detektörü ve yük iletim sisteminden oluşur. Amaç görüntü bilgisini yüksek çözünürlükte depolamaktır.

CCD sistemlerin en büyük avantajı istenen görüntünün 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, piksellerolarak 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 düşeyolarak tanımlayanyatay elektrotlar.Bunlar aynı zamanda okuma sırasında yükaktarımı için dekullanılmaktadır.

Plan Görünümü

Kesit

Burada bir CCD’nin görüntü alanının bir kaç piksellik küçük bir bölümü görülmektedir. Bu desen yonga boyunca yinelenir.

ElektrotYalıtıcı oksitn-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’

unke

narı

160µm

Görüntü Alanı

Seri Kayıt Birimi

Okuma Yükselticisi

Bu

s te

lleri

Bir EEV CCD’nin bir köşesinin mikrofotoğrafı

CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

33

OD

OS

RDRSW

Çıktı Düğümü

Topraklama

Çıktı Transistörü

SıfırlamaTransistörü

ToplamaKuyusu

20 µmÇıktı 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 DuyarlıklarıBir 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

r G

eçirg

enliğ

i

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 kapladıktan sonra metal elektrot yerleştirilmiştir. Basit bir hücre (cell) yapısı elde ederilir.

Metal elektroda pozitif bir gerilim uygulandığında, p-tipi silikon altta bulunan çoğunluk taşıyıcı holler, silikonun yüzey bölgesine doğru itilir ve yüzey bölgesinde bir depletion tabakası oluşur.

Denge şartından dolayı, azınlık taşıyıcı elektronlar ,elektrodun altında bulunan Si-SiO2 arayüzüne dolarlar. Bunun anlamı elektronlar için Si-SiO2 arayüzünde bir potansiyel kuyusu oluşmaktadır.

37

38

Pikseldeki yükün anlamlı olması için bütünlüğünün korunarak işlenme noktasına taşınması gerekmektedir.

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

Hücreler matris şekilde düzenlenilirse, her satırda olan toplanmış yük sıra ile çıkış sütununa aktarılır sonrada bu sütun tekrar kaydırılarak sıra ile okunur. Böylece matris üzerinde olan her hücre adresleri ile birlikte okunmuş olur.

39

40

41

Ccd video

42