Sensori ottici. Caratterizzazione dei sensori ottici: principio di funzionamento e grandezza misurata

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1 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

2 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

3 Sensori ottici Caratterizzazione dei sensori ottici: architetture 1. architettura a matrice di fotodiodi 2. sensore CMOS 3. sensore CID 4. sensore CCD lineare 5. Full Frame Transfer CCD 6. Frame Transfer CCD 7. Interline Transfet CCD 3

4 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

5 Lo spettro elettromagnetico relazione tra lunghezza d onda e frequenza: λ = c / ν c = 3 x 10 8 m/s 5

6 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

7 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

8 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 8

9 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/m 2 ). È indicativo dell abbagliamento. I L=I/A A 1 A 2 A 3 A 4 9

10 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/m 2 ). E = Φ cos(θ)/a 10

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12 Il flusso luminoso Φ Onda piana monocromatica TEM: E = E 0 exp[j(kx ωt)] B = B 0 exp[j(kx ωt)] con k = 2π/λ, ω = 2πν e E 0 = c B 0 B = µ H µ-permittività magnetica 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

13 P I = J I EdV V Bilancio energetico relativo al volume V E H = ε + J + J I t H E = µ t E H E = ε E + J t H E H = µ H t J I è la densità di corrente impressa (sorgente) E + J I E V. Rizzoli Lezioni di campi elettromagnetici- Propagazione libera, Progetto Leonardo (Bologna) 13

14 µ + ε = + + µ + ε = + + µ + ε = µ = ε V V V I I I I V V V t t P t t t t t t )d ( d d ) ( 2 1 ) ( 2 1 ) ( ) ( 2 1 ) ( 2 1 ) ( 2 1 ) ( 2 1 ) ( H E E J H H E E H E E J H H E E E J E J E J H H E E H E E J E J H H E E H E E H V. Rizzoli Lezioni di campi elettromagnetici- Propagazione libera, Progetto Leonardo (Bologna) potenza elettromagnetica in V effetto Joule potenza che viene irradiata all esterno

15 ( E H)dV = ( E H) i V V S n ds = Φ Intensità di una onda EM o densità di potenza (W/m 2 ) S = E H S S è il vettore di Poynting, detto anche I intensità dell onda EM (W/m 2 ) E= S i n è l illuminamento (W/m 2 ) S 15

16 L intensità di una onda piana monocromatica Onda piana monocromatica TEM: E = E 0 exp[j(kx ωt)] B = B 0 exp[j(kx ωt)] con k = 2π/λ, ω = 2πν e E 0 = c B 0 B = µ H I = S = E x H = E x B/µ = E 02 /2cµ î x 16

17 La propagazione dell onda EM nei mezzi omogenei privi di sorgenti e con perdite L onda EM risente delle perdite del mezzo: E = E 0 exp(-αx/2) L intensità di luce decade esponenzialmente nel mezzo: I = E 02 exp(- αx) /2cµ î x = I 0 exp(- αx) î x con α [cm -1 ] costante di attenuazione intrinseca del mezzo, dipendente dalla conducibilità e dalla frequenza dell onda EM. In un metallo è α 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

18 Assorbimento della radiazione in silicio (generazione ottica) -I L onda EM che propaga nel silicio con intensità di modulo I= I 0 exp(- αx) viene assorbita a causa della generazione ottica: hν E G E C e - CASO IDEALE: ogni fotone genera una coppia elettrone-lacuna Φ Φph ( x) dn I( x) = = hν = hν e 1 A A dt A M. Rudan Tavole di Microelettronica - Pitagora Editrice Bologna \ E V 18

19 19 ) exp( d d d d ) ( ) I( 0 opt opt ph x h I x I h G G t n t n h x N A t h t N x A h x I A x h A x e e α ν = α ν = = ν = ν = ν = Φ ν = Φ = numero di coppie e-h generato a causa dell assorbimento di un fotone nell unità di volume e di tempo (cm -3 s -1 ). x+dx G opt (x+dx) I(x+dx) G opt (x) I(x) Assorbimento della radiazione in silicio (generazione ottica) -II x

20 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 G opt = η hν I dx d ηi0 = α hν exp( αx) η efficienza quantica intrinseca del silicio 20

21 Il coefficiente di assorbimento in silicio α = 3 A( hν EG ) 2 A Si = 3,33 x 10 3 cm -1 S. M. Sze Semiconductor Sensors, Wiley Interscience 1,12 energie (ev) 10 2,7e14 frequenze (Hz) 2,4e λ(nm)

22 La sensibilità intrinseca del silicio-i La sensibilità intrinseca del silicio è S( λ) = I opt Φ 0 = fotocorrente flusso (o potenza) dell onda incidente S( λ) = I opt Φ 0 = AJ AI opt 0 Φ 0 I opt 22

23 La sensibilità intrinseca del silicio-ii La densità di corrente fotogenerata in silicio è: n t 1 J q opt HP1- condizioni stazionarie HP2- G opt >> U SRH HP2- condizione1d n = G U SRH J dx ηi = qgopt = qα exp hν d n 0 ( αx) Φ ηi0 L Jopt = qα exp( αx) dx hν ηi0 L ηi = q [ exp( αx) ] 0 0 = q [1 exp( αl)] L hν hν 23

24 La sensibilità intrinseca del silicio-iii La sensibilità intrinseca del silicio è S( λ) = J opt I 0 S (1/eV) = 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 qη λ hc [ 1 exp( αl) ] Sensibilità intrinseca del silicio lunghezza d'onda (nm) 24

25 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

26 dispositivo I L p-type Si V Fotoresistenza I 0, ν HP1- silicio drogato uniformemente con N A costante W R 0 = ρ 0 L 0 /(W 0 H 0 ) = L 0 /(W 0 H 0 ) 1/(qN A µ p ) HP2- onda incidente con intensità I 0 = I 0 i z e frequenza ν HP3- H << 1/α(ν) posso considerare una generazione ottica costante in z: H z x y 26

27 modello n t Fotoresistenza 1 J q n = G opt U SRH HP4- condizione quasi-stazionaria HP5- J=0 lungo z G U = 0 opt SRH 27

28 circuito di lettura V Fotoresistenza V OUT sensibilità del sensore: R 0 28

29 guadagno di fotoconduttività del fotoresistore: I L p-type Si V I 0, ν H W z x y 29

30 dispositivo I 0, ν Fotodiodo I p-type Si N A V z x y n-type Si n++ N D HP1- silicio drogato uniformemente in (x,y) HP2- giunzione pn brusca (condizione ASCE) HP3- onda incidente con intensità I 0 = I 0 i z e frequenza ν 30

31 Fotodiodo funzionamento della giunzione pn: 31

32 Fotodiodo funzionamento della giunzione pn: 32

33 modello del fotodiodo Fotodiodo circuito di lettura V OUT sensibilità del sensore: R L guadagno di fotoconduttività del fotoresistore: 33

34 Fotodiodo in accumulo di carica (storage-mode) capacità di barriera: 34

35 illuminamento con I 0 costante: + 35

36 illuminamento con I 0 costante: (modello del fotodiodo in storage-mode) 36

37 circuito di lettura 37

38 Fotodiodo in accumulo di carica (storage-mode) sensibilità del sensore: guadagno di fotoconduttività 38

39 Fototransistori bipolare e MOS FOTOTRANSISTORE BJT 39

40 Fototransistori bipolare e MOS FOTOTRANSISTORE MOS 40

41 PIXEL PASSIVO o 1T 41

42 PIXEL ATTIVO o 3T 42

43 dispositivo I 0, ν Fotocondensatore MOS I ITO (Indium Tin Oxide) V SiO 2 z x y p-type Si N A HP1- silicio drogato uniformemente (N A costante) HP2- onda incidente con intensità I 0 = I 0 i z e frequenza ν 43

44 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime stazionario: 44

45 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime impulsato: 45

46 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime impulsato: 46

47 Fotocondensatore MOS funzionamento del condensatore MOS in regime impulsato: 47

48 circuito di lettura Fotocondensatore MOS 48