Sensori ottici Caratterizzazione dei sensori ottici: • principio di funzionamento e grandezza misurata 1. lo spettro elettromagnetico 2. le grandezze fotometriche (le unità di misura del S.I.) 3. l’assorbimento di radiazione in Si (generazione ottica) 4. la sensibilità intrinseca del silicio 1 Sensori ottici Caratterizzazione dei sensori ottici: • tipi di dispositivi, circuito di lettura (read-out) e modello del sensore (sensibilità) 1. fotoresistenza 2. fotodiodo 3. fototransistore bipolare e fototransistore MOS 4. fotocondensatore MOS 5. CCD 2 Sensori ottici Caratterizzazione dei sensori ottici: • architetture 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. architettura a matrice di fotodiodi sensore CMOS sensore CID sensore CCD lineare Full Frame Transfer CCD Frame Transfer CCD Interline Transfet CCD 3 Sensori ottici Caratterizzazione dei sensori ottici: • condizioni operative e prestazioni 1. risoluzione spaziale dell’immagine 2. gestione dei colori 3. riflessione superficiale e rifrazione degli strati interposti di dielettrico 4. blooming 5. fill-factor 4 Lo spettro elettromagnetico relazione tra lunghezza d’onda e frequenza: λ=c/ν c = 3 x 108 m/s 5 Sensibilità dell’occhio umano V(λ) è la media delle risposte ottenute da un campione di osservatori in condizioni di luminosità superiori ad un certo minimo (visione fotopica). A λ = 555nm è 1W = 683 lm. 6 Definizione del lumen A λ = 555 nm il flusso luminoso di 1W corrisponde a 683 lm. A λ = 490 nm il flusso luminoso di 1W corrisponde a 683x0,2=136,6 lm. 7 Grandezze fotometriche (le unità di misura del S.I.) Lumen (lm): unità di misura del flusso luminoso Φ (flusso di energia ”pesato” secondo la sensibilità spettrale dell’occhio umano). Candela (cd): unità di misura dell’intensità luminosa I (flusso luminoso radiato in una certa direzione per unità di steradiante, lm/sr). I http://physics.nist.gov 8 Grandezze fotometriche (le unità di misura del S.I.) Nit (nt): unità di misura della luminanza L (intensità luminosa incidente su una superficie normale alla direzione del flusso di area unitaria, cd/m2). È indicativo dell’abbagliamento. http://physics.nist.gov I L=I/A A1 A2 A3 A4 9 Grandezze fotometriche (le unità di misura del S.I.) Lux (lux): unità di misura dell’illuminamento E (flusso luminoso incidente su una superficie di area unitaria, lm/m2). http://physics.nist.gov E = Φ cos(θ)/A 10 11 Il flusso luminoso Φ Onda piana monocromatica TEM: E = E0 exp[j(kx – ωt)] B = B0 exp[j(kx – ωt)] con k = 2π/λ, ω = 2πν e E 0 = c B0 B=µH µ-permittività magnetica Æ il flusso luminoso (in Watt) è la potenza irradiata dalla sorgente luminosa (o flusso di potenza). V. Rizzoli “Lezioni di campi elettromagnetici- Propagazione libera”, Progetto Leonardo (Bologna) 12 PI = − ∫ J I ⋅ EdV JI è la densità di corrente impressa (sorgente) V Bilancio energetico relativo al volume V ∂E + J + JI ∇×H = ε ∂t ∂H ∇ × E = −µ ∂t ∂E ⋅E + J ⋅E + JI ⋅E ∇×H⋅E = ε ∂t ∂H ∇ × E ⋅ H = −µ ⋅H ∂t V. Rizzoli “Lezioni di campi elettromagnetici- Propagazione libera”, Progetto Leonardo (Bologna) 13 ∂E ∂H ⋅ H + J ⋅E + JI ⋅E ∇×H⋅E −∇×E⋅H = ε ⋅E + µ ∂t ∂t 1 ∂ ( E ⋅ E) 1 ∂ ( H ⋅ H ) − ∇ ⋅ (E × H ) = ε + µ + J ⋅E + JI ⋅E ∂t ∂t 2 2 1 ∂ ( E ⋅ E) 1 ∂ ( H ⋅ H ) − JI ⋅E = ε + µ + J ⋅ E + ∇ ⋅ (E × H ) ∂t ∂t 2 2 1 ∂ ( E ⋅ E) 1 ∂ ( H ⋅ H ) + µ PI = ∫ ε dV + ∫ J ⋅ EdV + ∫ ∇ ⋅ (E × H )dV ∂t ∂t 2 2 V V V potenza elettromagnetica in V effetto Joule potenza che viene irradiata all’esterno V. Rizzoli “Lezioni di campi elettromagnetici- Propagazione libera”, Progetto Leonardo (Bologna) 14 ∫ ∇ ⋅ (E × H)dV = ∫ (E × H) ⋅ indS = Φ V S Intensità di una onda EM o densità di potenza (W/m2) S = E× H V S S è il vettore di Poynting, detto anche I –intensità dell’onda EM (W/m2) E = S•in è l’illuminamento (W/m2) S 15 L’intensità di una onda piana monocromatica Onda piana monocromatica TEM: E = E0 exp[j(kx – ωt)] B = B0 exp[j(kx – ωt)] con k = 2π/λ, ω = 2πν e E 0 = c B0 B=µH Æ I = S = E x H = E x B/µ = E02 /2cµ îx 16 La propagazione dell’onda EM nei mezzi omogenei privi di sorgenti e con perdite L’onda EM risente delle perdite del mezzo: |E|= E0 exp(-αx/2) L’intensità di luce decade esponenzialmente nel mezzo: I = E02 exp(- αx) /2cµ îx = I0 exp(- αx) îx con α [cm-1] – costante di attenuazione intrinseca del mezzo, dipendente dalla conducibilità e dalla frequenza dell’onda EM. In un metallo è α Æ ∞ e quindi si parla di “effetto pellicolare”: lo spessore di penetrazione 1/α di un’onda EM nel visibile è molto piccolo (∼ nm). I dielettrici invece sono senza perdite, cioè trasparenti. 17 Assorbimento della radiazione in silicio (generazione ottica) -I L’onda EM che propaga nel silicio con intensità di modulo I = I0 exp(- αx) viene assorbita a causa della generazione ottica: EC EG hν e- EV CASO IDEALE: ogni fotone genera una coppia elettrone-lacuna Φ ph ( x) dN e 1 Φ I( x) = = hν = hν A dt A A M. Rudan “Tavole di Microelettronica”- Pitagora Editrice Bologna \ 18 Assorbimento della radiazione in silicio (generazione ottica) -II I(x) Gopt(x) x Φ ph ( x) Φ I(x+dx) Gopt(x+dx)x+dx I( x) = = hν A A ∂ 1 ∂N e ∂n dI 1 ∂ ∂N e − = hν = hν = hν ∂t A ∂x ∂t A ∂x ∂t dx ∂n = Gopt numero di coppie e-h generato a causa dell’assorbimento di un fotone nell’unità di volume e di tempo (cm-3 s-1). ∂t 1 dI I0 Gopt = − = α exp(−αx) hν dx hν 19 Assorbimento della radiazione in silicio (generazione ottica) -III CASO NON IDEALE: non tutti i fotoni assorbiti generano una coppia e-h. Meccanismi concorrenti: 1. eccitazione di vibrazioni reticolari 2. collisione di elettroni già in banda di conduzione 3. eccitazione di elettroni in banda di valenza che rimangono in b.v. 4. eccitazione di elettroni in banda di valenza che vanno in stati trappola 5. generazione ottica diretta Gopt η dI ηI 0 =− =α exp(−αx) hν dx hν η – efficienza quantica intrinseca del silicio 20 Il coefficiente di assorbimento in silicio α = A(hν − EG ) 32 ASi = 3,33 x 103 cm-1 1,12 energie (eV) 10 2,7e14 frequenze (Hz) 2,4e15 1100 750 λ(nm) 380 125 S. M. Sze “Semiconductor Sensors”, Wiley Interscience 21 La sensibilità intrinseca del silicio-I La sensibilità intrinseca del silicio è S (λ ) = S (λ ) = I opt Φ0 I opt Φ0 = = fotocorrente flusso (o potenza) dell’onda incidente AJ opt Φ0 AI 0 Iopt 22 La sensibilità intrinseca del silicio-II La densità di corrente fotogenerata in silicio è: ∂n 1 − ∇ ⋅ J n = Gopt − U SRH ∂t q HP1- condizioni stazionarie HP2- Gopt >> USRH HP2- condizione1D ηI 0 dJ n = −qGopt = −qα exp(− αx ) dx hν ηI 0 L J opt = qα exp(−αx)dx ∫ 0 hν ηI 0 ηI 0 L [exp(−αx)]0 = q [1 − exp(−αL)] = −q hν hν Φ 0 0 L 23 La sensibilità intrinseca del silicio-III La sensibilità intrinseca del silicio è I0 qη = λ[1 − exp(−αL)] hc Sensibilità intrinseca del silicio 0,3 0,25 S (1/eV) S (λ ) = J opt 0,2 0,15 0,1 0,05 0 100 200 300 400 500 600 700 lunghezza d'onda (nm) 800 900 24 Sensori ottici Caratterizzazione dei sensori ottici: • tipi di dispositivi, circuito di lettura (read-out) e modello del sensore (sensibilità) 1. fotoresistenza 2. fotodiodo 3. fototransistore bipolare e fototransistore MOS 4. fotocondensatore MOS 5. CCD – Charge Coupled Devices 25 Fotoresistenza I0, ν dispositivo x H p-type Si I L W y z V HP1- silicio drogato uniformemente con NA costante R0 = ρ0L0/(W0H0) = L0/(W0H0) 1/(qNAµp) HP2- onda incidente con intensità I0 = I0 iz e frequenza ν HP3- H << 1/α(ν) Æ posso considerare una generazione ottica costante in z: 26 Fotoresistenza modello ∂n 1 − ∇ ⋅ J n = Gopt − U SRH ∂t q HP4- condizione quasi-stazionaria HP5- J=0 lungo z Æ Gopt − U SRH = 0 27 Fotoresistenza circuito di lettura V VOUT sensibilità del sensore: R0 28 guadagno di fotoconduttività del fotoresistore: I0, ν x H I L p-type Si W y z V 29 dispositivo I0, ν p-type Si Fotodiodo NA ND x z y n-type Si n++ I V HP1- silicio drogato uniformemente in (x,y) HP2- giunzione pn brusca (condizione ASCE) HP3- onda incidente con intensità I0 = I0 iz e frequenza ν 30 Fotodiodo funzionamento della giunzione pn: 31 Fotodiodo funzionamento della giunzione pn: 32 Fotodiodo modello del fotodiodo circuito di lettura VOUT sensibilità del sensore: RL guadagno di fotoconduttività del fotoresistore: 33 Fotodiodo in accumulo di carica (storage-mode) capacità di barriera: 34 illuminamento con I0 costante: + 35 illuminamento con I0 costante: (modello del fotodiodo in storage-mode) 36 circuito di lettura 37 Fotodiodo in accumulo di carica (storage-mode) sensibilità del sensore: guadagno di fotoconduttività 38 Fototransistori bipolare e MOS FOTOTRANSISTORE BJT 39 Fototransistori bipolare e MOS FOTOTRANSISTORE MOS 40 PIXEL PASSIVO o 1T 41 PIXEL ATTIVO o 3T 42 Fotocondensatore MOS dispositivo I I0, ν ITO (Indium Tin Oxide) SiO2 x z y p-type Si NA V HP1- silicio drogato uniformemente (NA costante) HP2- onda incidente con intensità I0 = I0 iz e frequenza ν 43 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime stazionario: 44 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime impulsato: 45 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime impulsato: 46 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime impulsato: 47 Fotocondensatore MOS circuito di lettura 48