Wykład XI

1. Wykład XI CCD

2. 1 Detektor CCD. Uran - pierwszy obiekt sfotografowany przy pomocy CCD w r. 1975. (61 – calowy teleskop wgórach 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. 1960 astronom wyposażony w płytkę światłoczułą i 1 m teleskop. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

3. CCD, Charge-coupled Device – urządzenie na ładunku związanym foton powierzchnia fotoczuła = piksel kondensator Fotony uwalniają elektrony z powierzchni fotoczułej. Kondensatory ładują się ładunkiem proporcjonalnym do ilości padającego światła

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

5. Krok 1 i 2. Efekt fotoelektryczny. • Generacja par elektron – dziura dla • Rozdzielenie ładunków polem elektrostatycznym foton foton pasmo przewodnictwa 1.12eV rosnąca energia pasmo walencyjne dziuraelektron 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. Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS

7. Tranzystor polowy MOS Zubożenie Akumulacja Inwersja

8. 2DEG w warstwie inersyjnej Struktura pasmowa 2DEG w krzemowym MOSFET S: źródło, D: dren,VG: napięcie bramki (kontroluje koncentrację elektronów) Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS > VT 500 Å

9. VGS > VT Tranzystor MOSFET ID Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS > VT zero gdyVGS< VT VDS

10. Krok 3. Zgromadzić nośniki bramka SiO2 Si typu p akumulacja dziur MOS Akumulacja

11. Krok 3. Zgromadzić nośniki bramka SiO2 Si typu p Si typu p obszar ładunku przestrzennego MOS Zubożenie

12. Krok 3. Zgromadzić nośniki warstwa inwersyjna elektronów bramka SiO2 Si typu p MOS Inversja

13. Krok4. Przetransportować nośniki • AnalogCCD – 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. Krok4. Przetransportować nośniki AnalogCCD WERTYKALNY przenośnik taśmowy (kolumny CCD) DESZCZ(fotony) WIADRA (piksele) ZBIORNIK (Wzmacniacz wyjściowy) HORYZONTALNY przenośnik taśmowy (Rejestrator wyjściowy)

15. AnalogCCD Deszcz ustał – wiadra zawierają próbki deszczu.

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

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

18. AnalogCCD `

19. AnalogCCD

20. AnalogCCD

21. AnalogCCD

22. AnalogCCD

23. AnalogCCD

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

26. AnalogCCD

27. AnalogCCD

28. AnalogCCD

29. AnalogCCD

30. AnalogCCD

31. AnalogCCD

32. AnalogCCD

33. AnalogCCD

34. AnalogCCD

35. AnalogCCD

36. AnalogCCD

37. AnalogCCD

38. AnalogCCD

39. AnalogCCD

40. AnalogCCD

41. AnalogCCD

42. AnalogCCD Wszystkie wiadra zostały opróżnione. (CCD zostało odczytane).

43. Krok4. Przetransportować nośniki Piksel rejestrator wyjściowy (a) (b) do wzmacniacza Elektrody Elektrony Rozważmy CCD złożony z 9pikseli, 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 z jednej elektrody na drugą.

44. Krok4. Przetransportować nośniki (a) (b) Si:Be (kanały stopujące, definiujące kolumny obrazu) • 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. Krok4. Przetransportować nośniki Ruch ładunku jest “związany” CCD

46. Zasada działania CCD p-Si p-Si Ruch ładunku jest “związany”

47. animacja http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/CCD_charge_transfer_animation.gif

48. Krok4. Przetransportować nośniki płaszczyzna obrazowa Metalowa,ceramiczna lub plastikowa obudowa piny połączeń złote druciki kontakty krzemowy chip wzmacniacz Rejestrator wyjściowy

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

50. Struktura CCD Fragment ( kilka pikseli) powierzchni obrazowej CCD. kanały stopujące; Si:Be widok z góry przezroczyste elektrody jeden piksel Elektroda tlenek Si typu n Si typu p przekrój poprzeczny Każda co trzecia elektroda są połączone ze sobą.