Detektor CCD. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

Transkrypt

1 Wykład VIII CCD 1

2 Detektor CCD Uran - pierwszy obiekt sfotografowany przy pomocy CCD w r (61 calowy teleskop w górach Santa Catalina w pobliżu Tucson - Arizona). Zdjęcie zrobione zostało przy 0.89mm. 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 astronom wyposażony w płytkę światłoczułą i 1 m teleskop. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne 2

3 Camera obscura 3

4 CCD, Charge-coupled Device urządzenie na ładunku związanym Nobel 2009 Willard S. Boyle i George E. Smith - lab. Bella idea foton powierzchnia fotoczuła = piksel kondensator Fotony uwalniają elektrony z powierzchni fotoczułej. Kondensatory ładują się ładunkiem proporcjonalnym do ilości padającego światła 4

5 Zasada działania CCD 5 kroków 1. oświetlić CCD 3. zgromadzić nośniki 2. wygenerować nośniki E g pasmo przew. pasmo walenc. 4. przetransportować nośniki 5. wzmocnić 5

6 rosnąca energia 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 1mm. Si jest przezroczysty dla fal dłuższych. 6

7 Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS 7

8 Tranzystor polowy MOS Zubożenie Akumulacja Inwersja 8

9 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 Struktura pasmowa 9

10 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 10

11 Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS akumulacja bramka SiO 2 Si typu p akumulacja dziur n ~ exp( E E ) F C p ~ exp( E E ) V F 11

12 Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS Zubożenie bramka SiO 2 Si typu p obszar ładunku przestrzennego n ~ exp( E E ) F C p ~ exp( E E ) V F 12

13 Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS Inversja warstwa inwersyjna elektronów bramka SiO 2 Si typu p n ~ exp( E E ) F C p ~ exp( E E ) V F 13

14 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 (ekspozycja światła) napełnia wiadra. - Deszcz przestaje padać (migawka kamery zamyka się) i przenośniki taśmowe zostają uruchomione. - Wiadra transportują wodę do zbiornika (wzmacniacz) ustawionego w rogu pola ( róg CCD). 14

15 DESZCZ(fotony) WIADRA (piksele) WERTYKALNY przenośnik taśmowy (kolumny CCD) HORYZONTALNY przenośnik taśmowy (Rejestrator wyjściowy) ZBIORNIK (Wzmacniacz wyjściowy) 15

16 Deszcz ustał wiadra zawierają próbki deszczu. 16

17 Przenośniki taśmowe zostają uruchomione. Woda z wiader umieszczonych na wertykalnych przenośnikach jest przelewana do wiader znajdujących się na horyzontalnym przenośniku. 17

18 Wertykalne przenośniki zatrzymują się. Rozpoczyna się ruch horyzontalnego przenośnika. Woda przelewa się do zbiornika. 18

19 ` 19

20 20

21 21

22 22

23 23

24 24

25 25

26 Nowy zestaw pustych wiader jest ustawiany na horyzontalnym przenośniku i proces powtarza się. 26

27 27

28 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 Wszystkie wiadra zostały opróżnione. ( CCD zostało odczytane). 43

44 Piksel rejestrator wyjściowy (a) (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 44 z jednej elektrody na drugą.

45 Krok 4. Przetransportować i wzmocnić 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). 45

46 Zasada działania CCD p-si p-si Ruch ładunku jest związany 46

47 Animacja CCD_charge_transfer_animation.gif 47

48 Struktura CCD CCDs są wykonywane na kawałkach krzemu za pomocą techniki fotolitografii. 3 CCD Philipsa na 6 calowym kawałku Si. Don Groom LBNL 48

49 Detektor CCD wydajność kwantowa 49

50 Detektor CCD Mozaika 4 CCD (kwadrat 6cm x 6 cm), z których każda zawiera 2048 x 2048 pikseli. Razem ok.16 millionów pikseli (Kitt Peak National Observatory, Arizona). 50

51 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. 51