N - RSM

Optische
Detektoren
Andreas Dreizler und Christof Heeger
FG Reaktive Strömungen und Messtechnik
Technische Universität Darmstadt
Übersicht
•
•
•
•
•
•
•
Einleitung
Sekundärelektronenvervielfacher
Pyroelektrischer Detektor
Photodiode
CCD- und CMOS-Detektoren
EMCCD-Detektor
Beispielexperiment
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 2
Einleitung
• Aufgabe von optischen Detektoren
– Wandlung elektromagnetischer Strahlung (Photonen) in
elektrische Signale
• Unterscheidung nach
– Punkt oder Array-Detektoren (1D, 2D)
– Zeitauflösung
– Quanteneffizienz (wie viel % des einfallenden Lichts werden
in elektrische Signale gewandelt)
– Sensitiver spektraler Bereich (UV, VIS, NIR, IR)
– Dynamik
– Zerstörschwelle
– Rauschen
– Dunkelstrom
– ...
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Sekundärelektronenvervielfacher
• Prinzip Sekundärelektronenvervielfacher
(SEV oder PMT: Photomultiplier)
– Photon schlägt Photo-Elektron aus einem Kathodenmaterial
(Metall), sofern Grenzfrequenz überschritten ist
( siehe photoelektrischer Effekt)
– Herausgeschlagene Elektronen werden auf eine erste
Dynode beschleunigt, wo sie Sekundärelektronen
herausschlagen
– Diese werden auf 2. Dynode beschleunigt usf.
 Elektronenvervielfachung
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SEV
• Prinzip SEV
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SEV
• Charakteristika
– Hohe Empfindlichkeit und Dynamik
– Verstärkungsfaktor bis ~106
– Je nach Kathodenmaterial empfindlich in einem Bereich von
UV bis NIR
– Kurze Anstiegsflanken im Sub-ns-Bereich möglich,
Verschmierung eines kurzen Pulses in der Zeit vorwiegend
durch unterschiedliche Wege, die Photo-Elektronen von der
Kathode bis zur ersten Dynode zurücklegen
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SEV
• Charakteristika (Fortsetzung)
– Quanteneffizienz bei ~1 - 10% stark abhängig von
Wellenlänge und Typ abhängig
– Dunkelstrom wächst nach Richardson-Gleichung gem.
I thermisch  C1T 2 exp   C2 
kT 

Austrittsarbeit der Photoelektronen
– Dunkelstrom kann durch Kühlen und kleine Kathodenfläche
minimiert werden
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Pyroelektrischer Detektor
• Prinzip
– Pyroelektrisches Material zwischen 2 Elektroden platziert, das
Laserstrahlung absorbiert (Kondensator)
– Bei Temperaturänderung ändern sich im pyroelektrischen Material
die dielektrischen Eigenschaften
– Ist zwischen den Elektroden eine Spannung U angelegt, so ändert
sich diese in Abhängigkeit der Dielektrizität
– Diese Spannungsänderung wird verstärkt
– Pyroelektrische Detektoren sprechen auf zeitliche Änderung an
(Temperaturänderung  Spannungsänderung)
 Geeignet, um Energie von Laserpulsen zu messen
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Pyroelektrischer Detektor
• Aufbau
Q  0 A
C 
U
d
A : Fläche Kondensator
d : Abstand Kondensatorplatten
C: Kapazität
Q: Ladung (hier konstant)
 : Dielektrizität
 0 : Dielektrizitätskonstante
Qd
U 
 0 A
 ändert sich bei Bestrahlung
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Photodiode
•
Photodioden sind Halbleiterelemente, die bei
Bestrahlung ihre
1. Leitfähigkeit ändern und damit als Photowiderstände verwendet
werden (Photoleiter) oder eine
2. Photospannung erzeugen und damit als lichtabhängige
Spannungsquellen fungieren (Photovoltaische Detektoren)
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Photodiode
• Energiezustände im Silizium (14Si)
Energie
Aufspaltung
4s
Leitungsband
3p
im Einzelatom
Valenzband
im Kristallatom
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Photodiode
• Energiezustände im Silizium (14Si)
Energie
Aufspaltung
4s
Leitungsband
Eg
3p
im Einzelatom
Valenzband
im Kristallatom
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Photodiode
• Energiezustände im Silizium (14Si)
Energie
Aufspaltung
4s
Leitungsband
hυ
3p
im Einzelatom
Eg
Valenzband
im Kristallatom
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Photoleiter
• Vereinfachte Darstellung,
passives Element
– Absorption eines Photons mit hn>EG hebt Elektron aus Valenz- ins
Leitungsband
– Dadurch entsteht ein sog. Elektron-Loch-Paar, das die elektrische
Leitfähigkeit erhöht (und damit Ohmschen Widerstand vermindert)
 innerer photoelektrischer Effekt
– Absorption bei kleineren Frequenzen durch Dotierung der
Halbleiter, die in der Bandenlücke sog. Donatoren-oder
Akzeptoren-Zustände schaffen
 Entstehung von Elektron-Loch Paaren schon bei geringeren
Photonenenergien
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Photodiode
Phosphor
5 Valenz e-
Bor
3 Valenz e-
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Photodiode
Phosphor
5 Valenz e-
Bor
3 Valenz e-
n-Dotierung
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p-Dotierung
Photoleiter
• Schaltung eines Photoleiters
– Spannungsteiler, der Licht-abhängig arbeitet
– Photoleiter ist passives Element, das äußere Spannungsquelle
benötigt
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Photodiode
Phosphor
5 Valenz e-
Bor
3 Valenz e-
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Photodiode
Phosphor
5 Valenz e-
Bor
3 Valenz e-
Elektronendiffusion
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Photodiode
Phosphor
5 Valenz e-
Bor
3 Valenz e-
+
Raumladung
+
-
Diffusionsspannung Vd
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Photovoltaischer Detektor
– Beim Anlegen einer äußeren Spannung ändert sich Feldstrom I und es
ergibt sich folgende typische Kennlinie (ohne Beleuchtung)
sog. SättigungsDunkelstrom
DV0
– Wird nun zusätzlich Licht eingestrahlt, entstehen in der Grenzschicht
weitere Elektron-Loch-Paare, wobei Elektronen als Folge der
Diffusionsspannung in den n-Bereich und Löcher in den p-Bereich
wandern
– Die Raumladung ändert sich um den Betrag DV0 (Photospannung) an
den offenen Enden des Halbleiters (siehe Bild oben bei I=0)
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Die Photodiode
Potential [V]
Dotierung:
n – Phosphor
p – Bor
e- L+
+
Ladungstrennung
e- L+
hυ
Länge
n
Raumladung
+
>0
I=
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-
p
Photovoltaischer Detektor
– Werden die offenen Enden kurzgeschlossen, so fließt der KurzschlussPhotonenstrom
I photonen   eA
mit e  Elementarladung,   Quantenausbeute
A  photoemfindliche Fläche,   Intens.  Flußdichte
hn
– Legt man äußere Spannung U an, so wird Gesamtstrom allgemein
gegeben durch (Kurvenverlauf vorheriger Grafik)
I  CT 2 exp   eVD  exp eU
 1  I photonen
kT 
kT

– Bei offenem Schaltkreis wird I=0 und man erhält Leerlaufspannung




I photonen
kT 
 1
U photonenI  0  DV0 
ln
e  CT 2 exp   eVD  


kT  


 
 
 Fazit: Spannungsänderung ist ein Maß für
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Beleuchtungsstärke 
Photovoltaischer Detektor
– Kennlinie: Spannungsänderung (bzw. Stromfluss) als Funktion der
Beleuchtungsstärke
– Linearität prüfen!
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CCD- und CMOS-Detektoren
• CCD: charge coupled devices
• CMOS: complimentary metal
oxide semiconductor
• 1D- oder 2D-Array-Detektoren,
linear oder in einer Fläche
angeordnete Pixel
• Unterscheidung in front- bzw.
backside illuminated CCD
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CCD- und CMOS-Detektoren
•
•
•
•
•
Die Photodiode
Genereller Aufbau eines CCD
CMOS-Architektur
CCD vs. CMOS
Bildverstärkung
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Prof. Dr.
RSM
A. Dreizler,
| 26 Dipl.-Ing. C. Heeger | 26
Die Photodiode
Potential [V]
+
Ladungstrennung
Länge
n
Raumladung
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p
Die Photodiode
+
n
Ladungstrennung
Raumladung
p
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Genereller Aufbau
Länge
Potential [V]
+
++
Gates
Gatebeschaltung
H3
Polykristallines
Silizium
Quarzglas
+
H1
H2
H3
H1
H2
H3
TX (Transfergate)
-
-
+
-
-
+
++
n(-)
10 µm
p(-)
p(+)
500 µm
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Belichtung
Länge
Potential [V]
+
++
1 Pixel (3-phasig)
+
-
-
+
-
-
+
++
n(-)
e- L+
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Blooming – Übersprechen auf
Nachbarpixel
Länge
Potential [V]
+
++
+
-
-
+
-
-
+
++
n(-)
e- L+
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Ladungstransfer
Länge
Potential [V]
+
++
+
-
-
+
-
-
+
++
n(-)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 32
-
Ladungstransfer
Länge
Potential [V]
+
++
+
+
-
+
+
-
+
+
++
n(-)
n(+)
Abtastknoten
(sense node)
n(+)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Ladungstransfer
Länge
Potential [V]
+
++
+
+
-
+
+
-
+
+
++
n(-)
n(+)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Ladungstransfer
Länge
Potential [V]
+
++
+/-
+
-
+/-
+
-
+/-
+
++
n(-)
n(+)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 35
-
Ladungstransfer
Länge
Potential [V]
+
++
-
+
-
-
+
-
-
+
++
n(-)
n(+)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Blooming bei zu steiler Flanke
Länge
Potential [V]
+
++
-
+
-
-
+
-
-
+
++
n(-)
n(+)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Ausleseelektronik
Länge
-
Ladungsmenge
sehr gering
Potential [V]
+
++
[V]
Reset-Schalter
+
+
-
+
+
-
+
+
Ausgangsverstärker
n(+)
n(-)
p(-)
Messsignal U [V]
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Der Feldeffekttransistor
ID
UGS5
Source
UGS4
D
Gate
UGS3
Drain
G
ID
UGS2
UGS1
S
S
G
D
D
UDS
n(-)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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n(+)
n(+)
G
ID
S
Der Feldeffekttransistor
… als Gleichstromquelle
ID
UGS5
UGS4
UGS3
Gleichstromquelle
UGS = konst.
UDS > UDS,krit.
 ID = konst.
variabler Widerstand
D
G
ID
UGS2
IGS2
UGS1
S
S
G
D
D
UDS
n(-)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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n(+)
n(+)
G
ID
S
Der Feldeffekttransistor
… als Source Folger
ID
UGS5
UGS4
UGS3
Source Folger
ID = konst.
UDS > UDS,krit.
D
G
UGS = konst.
ID
UGS2
IGS2
UGS1
S
S
G
D
D
UDS
n(-)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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n(+)
n(+)
G
ID
S
Der Feldeffekttransistor
… als Schalter
ID
UGS5
UGS4
UGS3
Schalter
UGS = 0  ID = 0
Schalter ist aus
UGS = konst.  ID ~ UDS
Schalter ist an
D
G
ID
UGS2
UGS1
S
S
G
D
D
UDS
n(-)
p(-)
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 42
n(+)
n(+)
G
ID
S
Ausleseelektronik
FET3
Schalter
FET2
Source Folger
VREF
VDD
Reset-Schalter
RS
Ausgangsverstärker
n(+)
n(+)
Messsignal U [V]
VOUT
VBIAS
FET1
Gleichstromquelle
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FET1 sorgt als Gleichstromquelle für einen
konstanten Strom von Erde
nach VDD.
Je nach Menge der Ladungsträger auf dem Abtastknoten,
stellt sich in FET2 eine
Spannung zwischen Abtastknoten und VOUT ein, die die
Spannung zwischen VDD
und VOUT durch den
vorgegebenen Strom steuert.
VOUT kann dann gegen Erde
abgetastet werden.
Durch Schalter FET3 können
die Ladungen nach dem
Auslesen von VOUT wieder
abfließen.
Verbesserung der QE
UV-Photonen
Quanteneffizienz
Absorption im Polysilizium-Gate
Keine QE
VIS-Photonen
Keine Abbildung
Absorption in der Verarmungszone
hohe QE
NIR-Photonen
Gute Abbildung
Absorption im Substrat
geringe QE
Schlechte Abbildung
@ 532nm ~50%
Reset-Schalter
Ausgangsverstärker
n(-)
n(+)
p(-)
Messsignal U [V]
p(+)
(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert
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-
Verbesserung der Quanteneffizienz
Back Side Thinning
Ätzen des Substrates
Beleuchtung der Rückseite
Keine Absorption in den Gates
Höchste QE, auch im UV
Coating
Aufdampfen einer dünnen Schicht ~1µm
Absorption von UV in Schicht
Re-emission von VIS-Photonen
Erweiterte QE im UV
Reset-Schalter
Ausgangsverstärker
n(+)
n(-)
p(-)
Messsignal U [V]
p(+)
Quanteneffizienz @ 532nm ~95%
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 45
-
Quanteneffizienz (QE)
• Quanteneffizienzen
verschiedener
state-of-the-art
frontside illuminated
CCDs
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Verbesserung der QE
• QE verschiedener backside illuminated CCDs
(Bezeichnung in Grafik BU und BV)
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-
Einfacher Linearsensor
Aluminium
n(+)
n(-)
p(-)
p(+)
Reset-Schalter
transparente
gates
abgeschirmte
gates
sense
node
Ausgangsverstärker
Messsignal U [V]
Ansicht
von oben
1 Pixel
(3-phasig)
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 48
H1
H2
H3
TX
Full Frame CCD
p(+) Sperrschicht
1 Pixel
(3-phasig)
Reset-Schalter
Ausgangsverstärker
Messsignal U [V]
V1
V2
V3
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 49
H1
H2
H3
TX
Frame Transfer CCD
V1up
V2up
V3up
Reset-Schalter
Ausgangsverstärker
V1
V2
V3
Messsignal U [V]
H1
H2
H3
TX
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Bemerkungen zur Dynamik
• Jedes Pixel wird in Abhängigkeit der lokalen Bestrahlung
elektrisch geladen (Ladung Q)
• Pro Pixel gibt es eine maximale Kapazität, die vor allem von den
Abmessungen des Pixels abhängen (typische Werte 20x20 µm)
• Diese maximale Kapazität wird als linear full well bezeichnet,
typische Werte liegen zwischen 50.000 und 800.000 e• Auf jedem Pixel existiert auch Rauschen, vor allem
Ausleserauschen und sog. Photonenrauschen
• Dieses Rauschen limitiert den echten dynamischen Bereich
i.d.R. unter die bei der Digitalisierung eingesetzte Dynamik (bis
zu 16 bit)
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 51
Bemerkungen zur Dynamik
• Beispiel
– Linear full well 200.000 e-  maximales Signal
– Ausleserauschen 10 e - rms (Photonenrauschen wird an
dieser Stelle der Einfachheit halber nicht berücksichtigt,
außerdem sei Dunkelstrom auch vernachlässigbar – dies gilt
vor allem bei kurzen Belichtungszeiten und gekühltem CCD)
 minimales Signal
– Echte Dynamik = maximales Signal/minimales Signal
200000
Dynamik 
 20000  214,3  14 bit
10
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 52
Signal-Rausch Verhältnis (SNR)
• Bemerkungen zum Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
– Rauschen berechnet sich aus Anteil Dunkelstrom, Ausleserauschen
und Photonen(Signal)rauschen
Rauschen 
 Ausleserauschen 2   Dunkelstromrauschen 2   Photonenrauschen 2 


– Bei kurzen Belichtungszeiten ist Rauschen des Dunkelstroms
vernachlässigbar
– Bei hohen Signalen ist Ausleserauschen auch vernachlässigbar,
dann gilt mit Zahl der Ladungsträger N (proportional zu
Photonenzahl) auf einem bestimmten Pixel
Rauschen  N
– Für Signal gilt Signal  N  SNR: SNR  N N  N
– Bei geringen Signalintensitäten spielt aber immer auch das
Ausleserauschen eine Rolle
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 53
CMOS
Schematischer Aufbau eines CMOS Pixel
Reset-Schalter
Ausgangsverstärker
Messsignal U [V]
TX
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 54
ReihenWahlschalter
CMOS
Aufbau eines CMOS Pixel
Transistoren auf dem Pixel
reduzieren den
Asensitive
Füllfaktor 
Apixel
Mikrolinsen werden genutzt,
um das einfallende Licht auf die
photosensitive Zone zu lenken
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 55
CMOS
VREF VDD
RS
VREF VDD
VREF VDD
RS
RS
ROW select
TX
VREF VDD
RS
TX
TX
VREF VDD
VREF VDD
RS
RS
ROW select
TX
VBIAS
TX
VBIAS
TX
VBIAS
COLUMN select
Multiplexer
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 56
VOUT
CCD vs. CMOS
+ CMOS
• einstellbarer aktiver
Bereich
• schnelles paralleles
Auslesen
- CMOS
• Räumliche Inhomogenitäten wegen Fertigungstoleranzen in
einzelnen Pixeln
• Offset
• Nichtlineare Kennlinie
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CCD vs. CMOS
CCD
CMOS
Pixelhomogenität
sehr gut
ein Ausgangsverstärker
Mittelmäßig
ein Verstärker pro Pixel
SignalRauschVerhältnis
Gut – ohne Kühlung
Sehr gut – mit Kühlung
Mittelmäßig
Viel Elektronik auf kleinem Raum
(thermische Einflüsse)
Geschwindigkeit
Langsam
alle Ladungen werden zu einem
Ausgangsverstärker geschoben
(~ 10 Hz)
Sehr schnell
Auswertungselektronik
auf jedem Pixel
(~ 600 kHz)
Arbeitspunkteinstellung
Höher Arbeitspannung,
größerer Regelbedarf
Konstant, niedrige Arbeitsspannung
über alle Betriebsbereiche
Fensterung
Begrenzt möglich
Einfach realisierbar
Blooming
ja
nein
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 58
Bildverstärkung
• Prinzip der Restlichtverstärkung
Messobjekt
hν
e-
Photokathode
Multi
Channel
Plate
e-
Hochspannung
• MCP arbeitet nach dem Prinzip der
Sekundärelektronenvervielfachung
Gain = 40 %
Gain = 50 %
Gain = 65 %
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 59
hν
Phosphor
Kamerachip
EMCCD (electron multiplying CCD)
• Teils Alternative zu intensivierten Systemen
• Besonderheit
– Ladungsverstärkung findet nicht in einem MCP vor der
CCD/CMOS statt, sondern zwischen Verschieberegister und
Vorverstärker in einem speziellen Verstärkungsregister
19. Mai 2011 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 60
EMCCD
– Im Verstärkungsregister (bestehend aus den Elektroden R1, R2, R3, s.
Bild nächste Folie) können sehr große Potentialdifferenzen im Unterschied
zu normalen Schieberegistern erzeugt werden, die keine so hohe
Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden aufweisen
– Wird ein Elektron in einen tiefen Potentialtopf verschoben kommt es zu
dem sog. Avalanche-Effekt (→ impact ionization) und damit zur Erzeugung
neuer Elektronen
– Verstärkungsfaktor liegt pro Pixel-Übergang bei ca. 1,015, ist also gering
– Daher wird der Prozess häufig wiederholt (~ mehrere 100 mal), um große
Verstärkungsfaktoren von bis zu 1000 zu erhalten
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EMCCD
• Veranschaulichung des Avalanche-Effektes im
Verstärkungsregister
Verschieben
Verstärken
• Typische Quanteneffizienz
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EMCCD
• Vorteile
– Während ICCD in Folge zu hoher Strahlungsbelastung relativ
leicht zerstört werden kann, kann dies bei EMCCD nicht
passieren
– Bei Kleinsignalen kann bei konstantem Ausleserauschen die
Ladungsmenge verstärkt werden und damit das Signal-RauschVerhältnis verbessert werden
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Beispiel (1/3)
• High Speed OH-PLIF
– Planare Laser-induzierte Fluoreszenz
– Verbrennungsradikal OH: Flammenfrontmarker
– 10 kHz Aufnahmerate (Laser und Kamera)
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Beispiel (2/3)
• TECFLAM Drallbrenner
– Methan/Luft vorgemischt
– NOX Reduktion
– Problem: Flammenrückschlagen
Flammeneigenleuchten
10.000 fps
High Speed
CMOS Kamera
mit Bildverstärker
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Beispiel (3/3)
• Ziel der Untersuchungen
– Messtechnik innerhalb der Düse testen
– Hinweise auf Mechanismus des Flammenrückschlags finden
– Flammenrückschlag unterdrücken
Flammeneigenleuchten
10.000 fps
OH-PLIF
5.000 fps
 Flammenstruktur in Wandnähe
 Flammenfortschritt entgegen
Hauptströmungsrichtung sichtbar
 Übereinstimmung mit Theorie
über Flammen in Wirbelröhren
 Hinweis auf lokale Tiefdruckgebiete
 Unterstützt Strömungsablösung in
Wandgrenzschicht
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• Bachelor und Master Theses
– Interessante optische Messtechniken
• Laser-induzierte Fluoreszenz
• Particle Image Velocimetry
• Thermografische Phosphoren
• Raman / Rayleigh Spektroskopie
• …
– Interessante Untersuchungsobjekte
• Gasturbinen Brennkammer
• Optischer Motor
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Ende
Geschafft!
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