Transcript ppt
Wykład XI
CCD
1
1 Detektor CCD.
Uran - pierwszy obiekt sfotografowany przy pomocy CCD w r. 1975.
(61 – calowy teleskop w górach Santa Catalina w pobliżu Tucson - Arizona).
Zdjęcie zrobione zostało przy 0.89
m m.
Ciemny obszar – absorpcja przez chmury metanu w pobliżu bieguna południowego planety.
Obecnie amator z kamerą CCD i 15 cm teleskopem może zebrać tyle samo światła, co w r. 1960 astronom wyposażony w płytkę światłoczułą i 1 m teleskop.
aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne 2
CCD, Charge-coupled Device – urządzenie na ładunku związanym
foton powierzchnia fotoczuła = piksel kondensator Fotony uwalniają elektrony z powierzchni fotoczułej. Kondensatory ładują się ładunkiem proporcjonalnym do ilości padającego światła 3
Zasada działania CCD
5 kroków 1. oświetlić CCD 2. wygenerować nośniki pasmo przew.
E g pasmo walenc.
4 . przetransportować nośniki 3. zgromadzić nośniki 5. wzmocnić 4
Krok 1 i 2. Efekt fotoelektryczny.
1. Generacja par elektron – dziura dla
h
E g
2. Rozdzielenie ładunków polem elektrostatycznym pasmo przewodnictwa 1.12eV pasmo walencyjne dziura elektron Elektrony generowane termicznie są nierozróżnialne od tych generowanych światłem.Stąd potrzeba chłodzenia CCD.
1.12eV odpowiada długości fali 1 m m. Si jest przezroczysty dla fal dłuższych. 5
MOS
Krok 3. Zgromadzić nośniki 6
Akumulacja
Tranzystor polowy MOS
Zubożenie
2DEG w krzemowym MOSFET S: źródło, D: dren, V G : napięcie bramki (kontroluje koncentrację elektronów) 2DEG w warstwie inersyjnej 500 Å
Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy V GS > V T
8 Struktura pasmowa
Tranzystor MOSFET
I D V GS
>
V T
zero gdy
V GS
<
V T V DS
Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy V GS > V T
9
Krok 3. Zgromadzić nośniki
MOS Akumulacja
bramka SiO 2 akumulacja dziur Si typu p
n
~ exp(
E F
E C
)
p
~ exp(
E V
E F
)
10
Krok 3. Zgromadzić nośniki
MOS Zubożenie
bramka SiO 2 obszar ładunku przestrzennego
n
~ exp(
E F
E C
)
p
~ exp(
E V
E F
)
11
Krok 3. Zgromadzić nośniki
MOS Inversja
warstwa inwersyjna elektronów bramka SiO 2
n
~ exp(
E F
E C
)
Si typu p
p
~ exp(
E V
E F
)
12
Krok4. Przetransportować nośniki Analog CCD – pomiar intensywności opadów deszczu Padający deszcz ( fotony) zbiera się we wiadrach ( piksele ) ustawionych na przenośnikach taśmowych ( płaszczyzna ogniskowa teleskopu ).
- Przenośniki są nieruchome, padający deszcz napełnia wiadra.
( ekspozycja światła - Deszcz przestaje padać ( migawka kamery zamyka się) taśmowe zostają uruchomione.
i przenośniki ) - Wiadra transportują wodę do zbiornika ( wzmacniacz ) ustawionego w rogu pola ( róg CCD ).
13
DESZCZ(
fotony
) WIADRA (
piksele )
WERTYKALNY przenośnik taśmowy (
kolumny CCD
) HORYZONTALNY przenośnik taśmowy (
Rejestrator wyjściowy )
ZBIORNIK (
Wzmacniacz wyjściowy
)
14
Analog CCD Deszcz ustał – wiadra zawierają próbki deszczu.
15
Analog CCD Przenośniki taśmowe zostają uruchomione. Woda z wiader umieszczonych na wertykalnych przenośnikach jest przelewana do wiader znajdujących się na horyzontalnym przenośniku.
16
Analog CCD Wertykalne przenośniki zatrzymują się. Rozpoczyna się ruch horyzontalnego przenośnika. Woda przelewa się do zbiornika.
17
Analog CCD ` 18
Analog CCD 19
Analog CCD 20
Analog CCD 21
Analog CCD 22
Analog CCD 23
24
Analog CCD Nowy zestaw pustych wiader jest ustawiany na horyzontalnym przenośniku i proces powtarza się. 25
Analog CCD 26
Analog CCD 27
Analog CCD 28
Analog CCD 29
Analog CCD 30
Analog CCD 31
Analog CCD 32
Analog CCD 33
Analog CCD 34
Analog CCD 35
Analog CCD 36
Analog CCD 37
Analog CCD 38
Analog CCD 39
Analog CCD 40
Analog CCD 41
Analog CCD Wszystkie wiadra zostały opróżnione. ( CCD zostało odczytane ).
42
Krok4. Przetransportować nośniki Piksel (a) rejestrator wyjściowy (b) Elektrody Elektrony do wzmacniacza Rozważmy CCD złożony z 9 pikseli, rejestratora wyjściowego i wzmacniacza.
Każdy piksel jest podzielony na 3 obszary (elektrody wytwarzające odpowiednią studnię potencjału). Co trzecia elektroda jest na tym samym potencjale.
(a) Podczas oświetlania centralna elektroda (żółte pola) jest na wyższym potencjale niż pozostałe (zielone pola) – ładunek gromadzi się w studni potencjału.
(b) Po ekspozycji świetlnej potencjał elektrod ulega zmianie i ładunki są przenoszone 43 z jednej elektrody na drugą.
Krok4. Przetransportować nośniki (a) (b) Si:Be (kanały stopujące, definiujące kolumny obrazu) (a) Poprzez synchroniczną zmianę potencjału elektrod elektrony są przenoszone z piksela do piksela. Ładunki z prawej są prowadzone do wyjściowego rejestratora.
(b) Horyzontalny transfer ładunków jest wyłączany. Pakiety ładunków z rejestratora wyjściowego są przenoszone wertykalnie, jeden za drugim do wzmacniacza wyjściowego i odczytywane jeden za drugim. Cykl rozpoczyna się ponownie po odczytaniu wszystkich ładunków ( czas odczytu dla dużego CCD – ok. 1 min).
44
Ruch ładunku jest “związany”
CCD
Krok4. Przetransportować nośniki 45
p-Si Ruch ładunku jest “związany”
Zasada działania CCD
p-Si 46
animacja http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/ CCD_charge_transfer_animation.gif
47
Krok4. Przetransportować nośniki płaszczyzna obrazowa Metalowa, ceramiczna lub plastikowa obudowa piny połączeń złote druciki kontakty Rejestrator wyjściowy krzemowy chip wzmacniacz 48
Struktura CCD
CCDs są wykonywane na kawałkach krzemu za pomocą techniki fotolitografii. 3 CCD Philipsa na 6 calowym kawałku Si.
Don Groom LBNL 49
Struktura CCD
Fragment ( kilka pikseli) powierzchni obrazowej CCD.
kanały stopujące; Si:Be widok z góry przezroczyste elektrody jeden piksel przekrój poprzeczny Elektroda tlenek Si typu n Si typu p Każda co trzecia elektroda są połączone ze sobą.
50
Struktura CCD
Rejestrator wyjściowy Przekrój przez rejestrator Obszar obrazowy wzmacniacz (na chipie) 51
Krok 5. Wzmocnić.
Mikrofotografia fragmentu CCD
160
m
m
Image Area
Serial Register
Read Out Amplifier 52
Detektor CCD – wydajność kwantowa
53
Detektor CCD – liniowość
54
Detektor CCD
Mozaika 4 CCD (kwadrat 6cm x 6 cm), z których każda zawiera 2040 x 2048 pikseli.
Razem ok.16
millionów pikseli (Kitt Peak National Observatory, Arizona).
55
Detekcja kolorów przy pomocy CCD maska Bayera Odpowiednie piksele CCD mierzą ilość światła czerwonego, zielonego i niebieskiego padającego na powierzchnię Zawsze są dwa zielone piksele, ponieważ oko jest bardziej czułe na ten kolor.
56