Photodetektoren Quantendetektoren Thermische Detektoren - KIT
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Photodetektoren Quantendetektoren Thermische Detektoren Photonen generieren Elektronen und/oder Löcher Photosignal proportional der Photonenrate ⇒ Detektor empfindlich, schnell und selektiv Einfallende Photonen erhöhen die Detektortemperatur Photosignal proportional der Strahlungsleistung ⇒ Detektor relativ unempfindlich, träge, aselektiv Äußerer Photoeffekt: Photonen lösen freie Elektronen (außerhalb des Materials) aus. ⇒ Photoströme in Phototube und Photomultiplier Bolometer-Effekt: Widerstandsänderung mit Temperaturerhöhung ⇒ Metall-, Halbleiter-, Kryobolometer Innerer Photoeffekt: Photonen generieren im Inneren des Materials zusätzliche Ladungsträger. Thermoelektrischer (Seebeck-) Effekt: Spannung über zwei ungleichen, einseitig kontaktierten Halbleitern mit höherer Temperatur am Kontakt ⇒ Strahlungsthermoelement, - säule im ungepolten Volumen: erhöhte Leitfähigkeit in Photoleitern - Photoleitung an Sperrschichten (p-n-Übergang, SchottkyBarriere): Photospannung bzw. Photostrom in Photoelementen (ohne Vorspannung, u.a. Solarzellen), PIN-, Avalanche-und Schottky-Dioden - Photovoltaik Mehrschicht-Sensoren: Phototransistor, Photothyristor, Photofet W. Heering Pyroelektrischer Effekt: mit Temperaturanstieg Änderung der spontanen Polarisation ⇒ Verschiebungstrom im pyroelektrischen Detektor Thermopneumatischer Effekt: Druckänderung mit der Temperatur in geschlossener Gaszelle ⇒ Golay-Zelle Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Betrieb von Photoleitern Ue Uaa U Ua = (1+R1/R2)Ue Ua = (1 + R1/R2)Ue Photowiderstand bildet mit RL einen Spannungsteiler; er ist so zu dimensionieren, dass RL = Dunkelwiderstand des Photoleiters. Nach Hochpassfilterung wird der lichtbedingte Spannungshub mit einem nichtinvertierenden) Elektrometerverstärker verstärkt. Temperaturgang des Photoleiters kann durch eine temperaturabhängige Verstärkung, die über einen Thermistor eingestellt wird, kompensiert werden. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Betriebsarten von Photodioden Kurzschluss (U=0): I = − I KL = I ph kein Dunkelstrom IS I KL e(1 − ρ )η ( λ )λ e −a⋅WS s= = (1 − ) Φ0 h⋅c 1 + a ⋅ Lp Leerlauf (I=0): Photoelement (Solarzelle) Sperrbetrieb: U << - kT/e W. Heering U = U0L = kT I ln( KL + 1) ≤ U D e IS U = RL ⋅ I ⇒ U / RL = I S ( e I = −( I S + I KL ) eU kT linearer Sensor Wegen IKL ∝ Φ0 logarithmische Strahlungsantwort, waagerechtes Ferminiveau, Barriere um eU0L abgesenkt; höherdotierte Halbleiter bzw. solche mit größerem Gap haben größere Photospannung. − 1) − I KL Generator Offset durch Dunkelstrom IS, ansonsten wegen IKL ∝ Φ0 lineare Strahlungsanwort, wegen Sperrspannung über der Photodiode kleinere Sperrschichtkapazität und damit schnellere Antwort Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Kennlinien einer Photodiode IV: Kurzschluss- und Leerlaufbetrieb (Photozelle) und III: Sperrbetrieb (Photodiode) eines bestrahlten p-n-Übergangs W. Heering Kurzschlussphotostrom wächst linear mit der Bestrahlungsstärke, Leerlaufphotospannung logarithmisch mit der Bestrahlungsstärke Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Grundbeschaltungen von Photodioden Grundlegende Betriebsschaltungen von Photodioden: a): Bei Unterschreitung einer gewissen Bestrahlungsstärke schaltet Transistor durch (Photoschaltverstärker). b):Photodiode mit kleinem Lastwiderstand R << Rp als Stromquelle; Spannungsabfall über R wird mit Operationsverstärker verstärkt. c),d): Kurzschluss- bzw. Sperrbetrieb mit arbeitspunktunabhängigem Transimpedanzverstärker; im Fall d) mit Vorspannung und folglich Dunkelstrom I0... e): Photodiode wirkt mit großem Lastwiderstand R >> Rp als Spannungsgenerator, Leerlaufspannung verstärkt mit Elektrometerverstärker logarithmisches Verhalten. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Grundschaltungen mit Phototransistoren Photodarlington-Transistor: Erhöhung der Verstärkung auf bis zu 1000 und damit der Empfindlichkeit IC ≈ B1B2Iph Emitterschaltung UA= U0 – B(I)RLIph UBE ≈ const W. Heering Kollektorschaltung UA = B(I)RLIph UA nicht proport. Φ Höhere Grenzfreq.: Basisschaltung T2 Temperaturkompensation Impedanzwandler Differenzschaltung mit re=rBE/β<<ra=RL⏐⏐rCE abgedecktem Phototrans. Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Beschaltung von Optokopplern mit Phototransistorausgang a) b) c) d) a) Emitterschaltung wegen des Miller-Effekts rel. langsam große Kollektor-Basiskapazität wird durch den kleinen Photostrom umgeladen b) Nachgeschalteter Operationsverstärker bewirkt nahezu konstantes Kollektorpotential (C virtuell auf Erde) – OP bestimmt weitgehend das Schaltverhalten. c) Nachgeschaltete Transistorbasisschaltung bewirkt kleinen Lastwiderstand des Phototransistors; die Kollektorspannung ist wieder nahezu konstant. Verbesserte Dynamik! d) Phototransistor mit nachgeschaltetem Schmitt-Trigger verbessert die Flankensteilheit und den Störabstand des Ausgangssignals W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Optokoppler in der Schaltung a) Stromgegengekoppelte Emitterstufe als LEDTreiber, stark gegengekoppelter Ausgangsverstärker, problematisch nichtlineare Übertragungskennlinie des Optokopplers a)Wechselspannungstrennverstärker b) Kopplung von Digitalkreisen b) Ausgangsseitiges Gatter kann einen anderen Massenbezug als das eingangsseitige Gatter haben. c) Photofeldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand hoher Linearität, hier zur Steuerung der Verstärkung einer OP-Stufe c) Verstärker mit Optokoppler als variabler Widerstand W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Servo- und Differenzoptokoppler Ziel: Bessere Linearität der Übertragung! a) Servooptokoppler b) Differenzoptokoppler Einsatz im Opto-, Trennoder Isolationsverstärker a) OP regelt den Ausgangsphotostrom I2 des Referenzkopplers so aus, dass die Eingangsdifferenzspannung verschwindet und I1 = I2. Ü1 = I1/IE , Ü2 = I2/IA . ⇒ IA/IE = Ü1/Ü2 . Übertragen beide Koppler gleich (nichtlinear), ändert sich IA/IE nicht.Verwendbar u.a. zur Strommessung. b) Gleiche Koppler: I1 = I2 . ⇒ UA = RK I2 = RK I1 = RK IE = RK UE/RG . ⇒ UA/UE = RK/RG Übertragung unabhängig von den Kennlinien von Photodioden und LED! W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Modulationsverstärker mit Optokopplern Eliminierung von Nichtlinearität und Temperaturgang des Optokopplers durch a) U/f-Wandler primär, f/U-Wandler sekundär, Optokoppler nur als Übertrager „geschalteter“ Impulse b) Wandlung in ein pulsbreiten moduliertes Signal mit Tastverhältnis t/T proportional der Eingangsspannung, z.B. mit A/DWandler und Timer, optische Übertragung und Wandlung, z.B. durch mittelwertbildenden Tiefpass wieder in eine UE proportionale Ausgangsspannung W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Stromschnittstelle mit Optokopplern Datenübertragung mit Potentialtrennung über große Leitungslängen < 1000 m durch TTY-20mA- Stromschnittstelle: 20 mA 0 mA mit Stromquelle W. Heering ohne Stromquelle Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe logisch 1 logisch 0 Stromeinprägung auf der Senderseite (oben) oder auf der Empfängerseite (unten) Optoelektronische Schaltungen Grundbeschaltung und Linearität von Photomultipliern Zur Erzeugung der Stufenspannungen zwischen Kathode und 1. Dynode, zwischen den Dynoden und zwischen letzter Dynode und Anode des Photomultipliers ohmsche Widerstandskette, über der die angelegte Hochspannung geteilt wird. Bei stark pulsierender Bestrahlung werden die letzten Kettenwiderstände kapazitiv abgestützt. W. Heering Anodenstrom = verstärkter Kathodenstrom fließt über Messwiderstand RL ab. Photomultiplier nur linear, wenn Kettenstrom sehr groß (Faktor ≥ 100) gegen Anodenstrom ist Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Einsatz und Betrieb pyroelektrischer Empfänger s - Empfindlichkeit Vout R ⋅ I ph = 1 1 1 + ) 1+ ( S R L rDS VDD Iph R ω - Frequenz Sourcefolger Elektrischer Betrieb mit großem Lastwiderstand von 105 – 1011 Ω und nachgeschaltetem FET-Sourcefoger (Impedanzwandler) Anwendung in Bewegungsmeldern (Alarmanlagen), Taudetektoren, Infrarot-Bildtechnik, IR-Spektroskopie W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Rauscharme Wechselspannungsverstärkung UG = Generatorspannung (Photospannung) RG = Generatorinnenwiderstand u t = 4 ⋅ kTG ⋅ R äq ⋅ ∆f Rauschspannung des Generators (Detektors) rauschfrei u Rauschspannung des idealen Verstärkers r ir Rauschstrom des rauschfreien Verstärkers Zu minimierende rauschäquivalente Generatorspannung (Signal-Rauschverhältnis = 1!) Ersatzschaltbild von a) U G min = u t 2 + u r 2 / ü 2 + i r 2 ⋅ ü 2 ⋅ R G 2 Bei kleinen Generatorwiderständen wie bei Thermoelementen und Thermosäulen sind Verstärker mit bipolaren Transistoren am Eingang, die eine sehr geringe Rauschspannung ur haben, und hochtransformierende Übertrager einzusetzen! W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Rauschäquivalente Spannungen ohne Trafo mit Trafo: ü=10 1 kΩ ∆f = 1 Hz mit Trafo: ü=10 W. Heering ∆f = 1 Hz Rauschäquivalente Spannungen für Verstärker mit Bipolartransistoreingang Bei großen Generatorwiderständen (> 100 Ω) und Frequenzen oberhalb 100 Hz liefert ein Feldeffekttransistor mit seiner extrem niedrigen Rauschstromstärke in Verbindung mit einem Anpassungstrafo den größeren Signal-Rauschabstand! Rauschäquivalente Spannungen für Verstärker mit FET-Eingang Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen CCD Eingangsstruktur und Ladungstransport Als analoger Speicher und Schieberegister für Ladungen benötigt die CCD einen Eingang. Eine Diode am Eingang liefert der Folge von MOS-Kapazitäten, welche an Majoritäten (Löchern) stark verarmt sind, Minoritätsträger (Elektronen) in der gleichen Weise, wie dies am Source-Eingang eines MOS-FET geschieht – im Beispiel liefert VS = 5 V freie Elektronen in die Potentialsenke unter dem Gate mit VG = 10 V. Eine elektrische Spannung wird in ein Ladungspaket umgesetzt. Die maximal einkoppelbare Ladung ist wieder gegeben durch Q n,sat = Cox (VG − VT ) Ein 4-Phasen oder 3-Phasen (Standard) oder 2Phasen oder 1+1/2-Phasen Takt treibt die Ladung zum Ausgang. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Floating-diffusion Ausgang t1: Auszulesenes Ladungspaket sei unter Φ3 gespeichert. MOS-FET schaltet VDD durch zum Diodenausgang. Floating diffusion Ausgang wird dann rückgesetzt auf ≈VDD und am Sourcefolgerausgang erscheint nahezu dieselbe Spannung. Erfolgt für jedes Ladungspaket! t2: Rücksetzender MOS-FET wird gesperrt, Diodenausgang floatet. Fallende Flanke von ΦR koppelt über die Gate-Kanalkapazität Cp in das n+-Gebiet eine kleine Elektronenladung und senkt damit ein wenig Vout t3: Φ3 wird angehoben und die auszulesende negative Ladung wird unter das Gate mit konstanter Gleichspannung VDC verschoben. Die nun auf der floatingdiffusion Kapazität zusätzlich gespeicherten Elektronen senken das Potential des n+-Gebietes weiter ab. Vout erhält einen Treppenverlauf. t4: Das nächste Ladungspaket wird unter das Gate Φ3 getaket usw. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Elektrische Beschreibung des floating-diffusion Ausgangs Gate-Kanal Kapazität Floatingdiffusion Kapazität Timing-Diagramm des Auslesens am floating-diffusion Ausgang ∆V * out Qn = CFD + C p * ∆Vout = GSF ∆Vout W. Heering Ersatzschaltbild des floatingdiffusion Ausgangs Parasitäre Gate-Kanal Kapazität Cp sollte möglichst klein sein. Gleiches wird von CFD gefordert, um den Spannungshub pro Elektron groß zu erhalten. Erreicht wird heute: CFD + Cp = 10 – 15 fF und damit 15 – 10 µV/Elektron vermindert um die Spannungsverstärkung GSF ≈ 0,9 Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Picture element - pixel Bildelement eines Bildsensors: a) n+- p Übergang – in Sperrrichtung gepolte Photodiode. b) MOS-Kapazität mit semitransparenter Elektrode – extern induzierter n-p Übergang Trennung der durch Strahlung erzeugten Elektron-Lochpaare durch das Feld des n-p Übergangs. Elektronen werden eingefangen unter der SiO2-Schicht, Löcher abgeführt in das p-Substrat. Die Integration der in der Expositionszeit erzeugten Photoladungen erfolgt auf der in Sperrichtung gepolten, elektrisch isolierten Kapazität des Übergangs. Durch die generierte Photoladung sinkt die Spannung über der Kapazität und verringert sich die Breite des Verarmungsgebiets. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Auslesestrukturen für eine Photodiode a) MOS-FET mit Ausleseleitung (Video) Vorteil: Einfache Herstellung Nachteil: MOS-FET verbindet die kleine PixelKapazität mit der großen Kapazität der Videoleitung – Dies bedingt stärkeres Rücksetzrauschen. b) Analoges CCD-Schieberegister Nachteil: Aufwendigere Technologie Vorteil: Photoladung wird in die kleinere Kapazität der Ausgangsdiode transferiert. Rücksetzrauschen ist geringer! Obige Photodiode kann auch durch MOS-Kapazität ersetzt werden. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Paralleles Auslesen linearer Bildsensoren Lineare Anordnung von Pixeln, Photodioden oder lichtempfindliche MOS-Kapazitäten Eng benachbart und parallel ein oder mehrere (bis zu 4) CCD-Schieberegister zum Auslesen, getrennt von der Sensorzeile durch Tranfer-Gates Nach der Bestrahlung - zeitlichen Integration der Photoladungen - werden die Tranfer-Gates kurz getaktet (VG → high → low) und gleichzeitig (parallel) die Photoladungen in die CCD übertragen. b) bzw. c) höhere Auflösung – bis zu 8000 Pixel/inch Eine neue Integration von Photoladungen beginnt. Währenddessen werden die in der CCD gespeicherten, in der Regel verschiedenen Photoladungen der Bildaufnahme nacheinander durch die CCD zum Ausgang transportiert. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Serielles Auslesen linearer Bildsensoren Beim sog. Rücksetzen werden Photodioden in Sperrrichtung vorgespannt und dann von der Spannungsquelle getrennt. Bestrahlung: Photoladungen werden auf den Sperrschichtkapazitäten gespeichert; sie entladen diese partiell. Adressierung und Auslesen: Durch sequentielles Einschalten adressierender MOS-FET werden die Photodioden nacheinander auf den Video-Ausgang geschaltet. Das MOS-Schieberegister erzeugt die Ansteuer-Impulse W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Timing-Diagramm seriellen Auslesens Mit der Adressierung wird die betreffende Photodiode, deren Sperrschichtkapazität durch die generierten Photoladungen teilweise entladen wurde, wieder aufgeladen. Folglich Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgender Adressierungen derselben Photodiode bestimmt die Expositionszeit = Integrationszeit Exposition verschiedener Photodioden nicht wirklich gleichzeitig! Wiederaufladestrom W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Bei geringerer Bestrahlungsstärke ergibt größerer zeitlicher Abstand der Startimpulse wieder größere Bestrahlungen (Bestr.stärke x Zeit) und so größere Videosignale. Optoelektronische Schaltungen Lineares NMOS Photodiodenarray ν Photodioden: n-diffundierte Streifen im p-Substrat Addressschalter: n-Kanal MOS-FET: Source verbunden mit Photodiode, Gate mit digitalem Schieberegister und Drain mit der Videoleitung Im Strom-Mode wird bei Addressierung die betreffende Photodiode wieder in Sperrrichtung aufgeladen (rückgesetzt); der zeitlich integrierte Wiederaufladestrom beinhaltet die Photoladung. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Ersatzschaltbild der Videosignalerfassung, Sensorsättigung Wird jeder Photodiode eine (abgedeckte, benachbarte) Dummy-Photodiode zugeordnet und gleichzeitig addressiert, so ist die erfasste Differenz von Hellladung und Dunkelladung weitgehend frei vom DC-Anteil des Dunkelsignals! Sättigung: Wird die Photodiodensperrschichtkapazität CD auf eine Sperrspannung US geladen, so ist die maximal auf ihr speicherbare Photoladung QS = CD US. QS heißt Sättigungsladung. Z.B.: CD = 1 pF, US = 2 V ⇒ QS = 2 pC = 12 500 000 e Dynamik = QS / QN , QN = rauschäquivalente Ladung ≈ 103 e für NMOS Photodiodenzeile Blooming: Wird eine Bestrahlung appliziert, so dass die Photoladung die Sättigungsladung überschreitet, kann die Photodiode nicht mehr vollständig speichern; der Überschuss fließt zu den benachbarten Photodioden. Es entsteht ein Übersprechen. Abhilfe: Anti-Blooming MOSFET für jede Diode mit Source an Photodioden-Kathode, Gate an Masse, Drain an Ladespannung US. Bei Überladung fließt Überschuss nach Drain ab! W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Strom-Spannungswandlung bei Stromausgang Umsetzen des Wiederaufladestroms in eine proportionale Spannung – Diode wird bei Addressierung in Sperrrichtung auf die Spannung V geladen Vorteile: Einfache Ausleseschaltung und hohe Ausleserate Nachteil: Üblicherweise wird der Peakwert der Ausgangsspannung und nicht die Fläche unter der Spannungs-Zeitkurve als Maß für die Bestrahlung genommen. Damit werden kleine Bestrahlungen unterbewertet. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Ladungsintegration bei Stromausgang Reset: Unmittelbar vor der Addressierung wird der Rückkoppel-Kondensator Cf des Integrators entladen. Addressierung: Durch den Wiederaufladestrom wird Cf auf eine Spannung geladen, die proportional der zuvor gespeicherten Photoladung ist: Vout = Q / Cf Vorteil: Auch kleinere Bestrahlungen sind rauscharm messbar. Nachteil: Aufladezeit von Cf bestimmt durch RDS,on · Cf . Daher beträgt die maximale Auslesefrequenz nur etwa 100 kHz. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen Photodiodenzeile mit Spannungsausgang U CVid Vid CDD Linearer NMOS Bildsensor mit digitalem Schieberegister, Sourcefolger und Reset-MOS-FET integriert auf einem Chip liefert am Ausgang treppenförmige Spannung (boxcar), deren Stufen ein Maß für die von Q ph den verschiedenen Photodioden generierten Photoladungen Qph sind: ∆U = V − U = CD + CVid Timing: Reset- und Addressschalter werden gleichzeitig geschlossen, um Photodioden-Sperrschichtkapazität und die Videokapazität auf die Spannung V aufzuladen. Nach Öffnen beider Schalter beginnt die Entladung der Sperrschichtkapazität durch den Photo- und Dunkelstrom. Mit dem Schließen des Addressschalters nach der Integrationszeit fließt Ladung von der Videokapazität in die Diodenkapazität, bis beide auf gleichem Potential U < V sind. k·U wird über den Sourcefolger ausgegeben; k < 1. W. Heering Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe Optoelektronische Schaltungen
