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Instrumentação Optoelectrónica Fotodetectores Tipos de fotodetectores Detectores térmicos: absorvem radiação luminosa e convertem a energia electromagnética em energia térmica. O resultado desta conversão é um aumento de temperatura que está correlacionado com a potência radiante que incide no detector. – – – Termopilhas Bolómetros Detectores Piroeléctricos 55 Instrumentação Optoelectrónica Fotodetectores Tipos de fotodetectores Detectores quânticos: conversão directa de fotões para um sinal eléctrico Detectores fotocondutores: a absorção de fotões resulta num aumento da condutividade do material - fotodíodos de junção p-n - fotodíodos de junção p-i-n - fotodíodos de avalanche - CCDs Detectores fotoemissores: emissão de electrões por efeito fotoeléctrico - Fotodíodos de vácuo - Fotomultiplicadores 56 Instrumentação Optoelectrónica Detectores - Propriedades Resposta (Responsivity) Resposta (R): é o quociente entre a saída e a entrada do detector Resposta espectral (Rl): é o quociente entre a saída e a entrada do detector em função do comprimento de onda da radiação incidente 57 Instrumentação Optoelectrónica 58 Detectores - Propriedades Resposta Como são possíveis vários tipos de entrada (p.ex. irradiância ou fluxo) e a saída pode aparecer sob várias formas (p.ex. tensão ou corrente) é necessário clarificar o conceito, nomeadamente especificando as unidades. Resposta espectral: R l Iph l l AW l R l 1 Iph l El AW l Iph(l) – fotocorrente de saída (A) l(l) – fluxo radiante incidente monocromático (W) El(l) – Irradiância espectral monocromática (W·m-2) Iph l e,l l R l dl A 0 Resposta total do detector: l R l dl R AW l dl Iph e,l 1 e,l 1 m2 Instrumentação Optoelectrónica 59 Detectores - Propriedades Eficiência quântica h(l) número de acontecimentos de detecção que ocorre por fotão absorvido pelo detector Responsivity (A/W) Para detectores com saída em corrente: corrente fluxo radiante c arga el hl hl energia radiante hc R l hl R(l) – resposta espectral h – constante de Planck c – velocidade da luz no vazio e – carga elementar Se a eficiência quântica for constante a resposta é uma função linear de l 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Ideal Photodiode QE = 100% ( h = 1) lg Si Photodiode 0 200 400 600 800 1000 1200 Wavelength (nm) Responsivity (R) vs. wavelength (l) for an ideal photodiode with QE = 100% (h = 1) and for a typical commercial Si photodiode. © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Instrumentação Optoelectrónica Detectores - Propriedades Ruído e Detectividade Detectividade: termo que quantifica a quantidade mínima de radiação que um detector pode medir com certeza. A detectividade de um sistema depende fortemente do ruído Ruído: flutuações aleatórias que interferem com um sinal eléctrico 60 Instrumentação Optoelectrónica 61 Detectores - Propriedades Ruído Potência equivalente de ruído (NEP - Noise Equivalent Power): Potência radiante que resulta num sinal igual ao ruído observado (ou seja resulta numa relação sinal – ruído igual a 1). NEP In R W com In o valor rms da corrente de ruído rms – root mean square: valor eficaz x rms 1 t t t x 2 t dt t A NEP é frequentemente normalizada para uma largura de banda unitária de forma a permitir a comparação de desempenho entre sistemas de detecção com larguras de banda distintas. NEP* NEP f W Hz 1 2 Instrumentação Optoelectrónica 62 Detectores - Propriedades Detectividade A detectividade corresponde ao inverso da NEP D 1 NEP W 1 Como se verificou que em muitos casos a detectividade é directamente proporcional a (A·f)1/2, com A a área activa do detector, definiu-se a detectividade normalizada ou detectividade específica por: A f D* NEP 1 2 cm Hz W 1 D* pode ser interpretada como uma medida da relação sinal-ruído de um detector normalizado com uma área activa de 1 cm2 e uma largura de banda de ruído de 1 Hz O parâmetro D* permite comparar o desempenho em termos de ruído de detectores com larguras de banda e áreas activas diferentes. Instrumentação Optoelectrónica 63 Detectores - Propriedades Tipo de Ruído Detector Mecanismo Físico ruído Shot Térmicos Fotocondutores Flutuações na emissão ou geração aleatória de electrões ruído Johnson (Johnson –Nyquist) Todos Flutuações térmicas em impedâncias devido à agitação térmica dos portadores de carga num condutor em equilíbrio ruído Flicker Térmicos Causas várias. Espectro 1/f ruído de Radiação (ruído quântico) Todos Flutuação estatística dos fotões Corrente Is 2 e Idark f It 4 k T f R Instrumentação Optoelectrónica 64 Detectores Ruído Quântico Quando partículas discretas chegam em instantes aleatórios ocorrem flutuações na taxa de chegada. Estes processos são caracterizados por uma distribuição de Poisson . Estas flutuações traduzem-se em incertezas, logo em ruído. Se considerarmos fotões de energia h e uma potência radiante recebida no receptor, a taxa de chegada de fotões é dada por: r h (fotões por segundo) Instrumentação Optoelectrónica 65 Detectores Ruído Quântico Como os fotões são gerados aleatoriamente em resultado de processos de desexcitação ou de recombinação na sua fonte, existem flutuações na taxa a que chegam ao receptor. Para radiação óptica e baixas potências radiantes o carácter discreto da potência radiante é bastante evidente. Exemplo: fonte de 100 pW; l = 500 nm 100 x1012 r l 500 x109 2.5 x108 fotoes s1 34 8 h hc 6.63 x10 3 x10 Para escalas temporais tais que t r 1 (neste exemplo da ordem do nanossegundo) o carácter discreto da taxa de chegada de electrões e as suas flutuações seriam bem evidentes. Instrumentação Optoelectrónica 66 Detectores Ruído Quântico Se assumirmos estatística estacionária (i.e. probabilidades constantes no tempo) a probabilidade de receber um ou mais fotões no intervalo t da ordem de grandeza de r 1 é r t A probabilidade de não receber qualquer fotão será 1 r t Consideremos um intervalo de tempo t > t. A probabilidade de não ser detectado qualquer fotão no intervalo de tempo t pode ser calculada considerando que o intervalo de tempo t é constituído por t/t intervalos de tempo t independente e calculando o produto entre as probabilidades de nenhum fotão ser detectado em cada intervalo t: t t P0 t lim 1 r t e r t t 0 Instrumentação Optoelectrónica 67 Detectores Ruído Quântico A probabilidade de ocorrer apenas uma chegada no tempo t obtém-se a partir da probabilidade de ter uma chegada entre e + d e nenhuma chegada quer antes quer depois. Para este cálculo é necessário considerar todos os valores possíveis de no intervalo de tempo t. t P1 t p0 r d p0 t 0 t e r r d e 0 t r e r t d 0 r t e r t r t Instrumentação Optoelectrónica 68 Detectores Ruído Quântico A probabilidade de ocorrer a chegada de dois fotões no tempo t obtém-se a partir da probabilidade de ter um fotão a chegar até ao instante , outro a chegar entre e + d e nenhuma chegada depois, sendo igualmente necessário considerar todos os valores à medida que varia ao longo do tempo t. t t 0 0 P2 t P1 r d P0 t r e r r d e r t 2 r t 2 e r t Se continuarmos este processo obtemos a probabilidade de chegarem exactamente n fotões no intervalo de tempo t Pn t r t n n! e r t Trata-se de uma distribuição de Poisson Instrumentação Optoelectrónica Detectores Ruído Quântico Uma distribuição Poisson caracteriza-se por ter uma variância igual ao valor esperado (ou seja igual à média) 2 n Logo, associada à detecção de n fotões num intervalo de tempo t existe uma incerteza : n Esta incerteza corresponde a ruído: o ruído quântico ou ruído da radiação. 69 Instrumentação Optoelectrónica 70 Detectores Ruído Ruído total devido a fontes de ruído não correlacionadas: soma quadrática das fontes de ruído. ex : In Is2 I2t 2 e I ph f 2 4 k T f R 2 Relação Sinal – Ruído (SNR): quociente entre a fotocorrente e a corrente de ruído A SNR determina a máxima precisão na medição de radiação luminosa. Se por exemplo tivermos uma SNR de 1000 então a precisão limite da medida é 0.1% Instrumentação Optoelectrónica 71 Detectores Fotodíodos Os fotodíodos são dispositivos semicondutores que respondem a partículas de alta energia e a fotões. Funcionam por absorção de fotões ou de partículas carregadas e produzem uma corrente proporcional à potência radiante incidente Semicondutores Outros semicondutores: GaAs, InP, InGaAs, InGaAsP, ZnSe, CdTe (em média 4 electrões de valência por átomo) Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 72 Fotodíodos Semicondutores – silício À temperatura de 0 K todos os electrões de valência estão envolvidos em ligações covalentes Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 73 Fotodíodos Semicondutores – silício Para temperaturas superiores a 0 K a energia térmica não é nula. Algumas ligações são quebradas: electrões livres lacunas livres A probabilidade de um electrão ocupar um estado electrónico com energia E é dada pela distribuição de Fermi-Dirac (para estados de energia não degenerados): F E 1 1e EEF kT EF corresponde à energia de Fermi. A energia de Fermi corresponde ao nível electrónico de maior energia ocupado a 0 K Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 74 Fotodíodos Semicondutores – silício F E 6 eV A temperaturas superiores a 0 K, a energia de Fermi corresponde à energia para a qual a probabilidade de um estado electrónico estar ocupado é 0.5 1 1e EEF kT Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 75 Fotodíodos Semicondutores – silício Geração – quebra de ligações covalente com produção de pares electrão-lacuna Recombinação – formação de ligações covalentes pela junção de um electrão e uma lacuna. n – concentração de electrões livres (cm-3) p – concentração de lacunas (cm-3) G – taxa de geração: não é função de n ou p (pois existe um fornecimento ilimitado de ligações covalentes) mas apenas da temperatura T R – taxa de recombinação: R é proporcional n·p já que um acontecimento de recombinação exige sempre um electrão livre e uma lacuna Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica Fotodíodos Semicondutores – silício Condições: Equilíbrio térmico; Ausência de fontes externas de energia Taxa de geração em equilíbrio térmico: Go = f(T) Taxa de recombinação em equilíbrio térmico: Ro proporcional a no·po Equilíbrio térmico significa Go = Ro. Isto implica no·po = f(T) Semicondutor intrínseco: no = po 1 electrão e 1 lacuna estão envolvidos sempre que ocorre um acontecimento de geração ou de recombinação no = po = ni no·po = ni2 ni – concentração intrínseca de portadores de carga (Silício a 300 K: 1 x 1010 cm-3) criação de apenas um par electrãoEsta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del lacuna por cada 1012 átomos Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT 76 Instrumentação Optoelectrónica 77 Fotodíodos Semicondutores – Dopagem Dopagem – introdução de átomos exógenos para manipular as propriedades eléctricas do semicondutor Dadores átomos do grupo V 5 electrões de valência: 4 participam em ligações covalentes 1 electrão disponível para condução Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 78 Fotodíodos Semicondutores – Dopagem Nd – concentração de dadores (cm-3) se Nd << ni a dopagem é irrelevante – semicondutor intrínseco se Nd >> ni é a dopagem que controla as concentrações de portadores de carga no ni Nd Nd 2 n no po ni2 po i Nd (ni depende da temperatura; não depende da quantidade de impurezas adicionadas) no >> po – semicondutor tipo n Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 79 Fotodíodos Semicondutores – Dopagem Aceitadores átomos do grupo III 3 electrões de valência: participam em ligações covalentes 1 posição de ligação não preenchida: facilmente aceita um electrão livre para completar a ligação. À temperatura ambiente cada aceitador disponibiliza uma lacuna para condução Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 80 Fotodíodos Semicondutores – Dopagem Na – concentração de aceitadores (cm-3) se Na << ni a dopagem é irrelevante – semicondutor intrínseco se Na >> ni a dopagem controla as concentrações de portadores de carga po ni Na Na 2 n no po ni2 no i Na po >> no – semicondutor tipo p Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 81 Fotodíodos Semicondutores – Junção pn Junção pn – contacto entre semicondutores p e n Esta secção segue e utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 82 Fotodíodos Semicondutores – Junção pn Difusão de portadores maioritários para a região onde são minoritários As lacunas que difundem da região p para a região n deixam de cancelar a carga dos aceitadores ionizados - zona de carga negativa na região p Os electrões que difundem da região n para a região p deixam de cancelar a carga dos dadores ionizados - zona de carga positiva na região p O campo eléctrico resultante desta distribuição espacial de carga provoca um movimento de deriva de portadores de carga oposto ao originado pela difusão. Equilíbrio: difusão = deriva região p região n região p região n Esta secção utiliza elementos das “Lecture Notes” do Prof. Jesús del Alamo para o curso de Microelectronic Devices and Circuits, Spring 2003 do MIT Instrumentação Optoelectrónica 83 Fotodíodos Semicondutores – Junção pn http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/pnformation/pnformation.html Instrumentação Optoelectrónica 84 Detectores Fotodíodos Incident light Front Contact Insulation p+ Active Area Depletion region n- region n+ Back Diffusion Back Metalization Rear Contact A absorção de um fotão pelo fotodíodo resulta na produção de um par electrão – lacuna. Se a absorção ocorre fora da região de depleção a probabilidade de recombinação do par é elevada. Logo a probabilidade da absorção do fotão contribuir para a alteração da condutividade da junção, ou seja para o sinal eléctrico é muito baixa. Se o fotão for absorvido na região de depleção o campo eléctrico aí existente separa o par de portadores de carga. A probabilidade de recombinação do par é muito baixa. O fotão vai contribuir para a alteração da condutividade da junção, ou seja para o sinal eléctrico. Instrumentação Optoelectrónica 85 Detectores Fotodíodos Consideremos que um semicondutor é iluminado com fotões de energia h superior à energia do bandgap, Eg. O fluxo de fotões é 0 (fotões por segundo por centímetro quadrado). A fracção de fotões que é absorvida à medida que os fotões viajam no interior do semicondutor é proporcional ao fluxo de fotões. Logo o número de fotões absorvidos numa distância incremental x é: x x x d x dx x x x com o coeficiente de absorção. A solução da equação diferencial resulta na lei de absorção exponencial característica: x 0 ex Instrumentação Optoelectrónica Fotodíodos Material Si InGaAs Ge Detectores Band gap (eV) Sensibilidade Espectral 1.12 250 a 1100 nm ~ 0.35 800 a 1800 nm 0.67 600 a 1600 nm 86 Instrumentação Optoelectrónica 87 Detectores Fotodíodos Exemplo: Um cristal monolítico de silício com 0,25 mm de espessura é iluminado com luz monocromática. A energia dos fotões é 3 eV. A potência radiante incidente é de 10 mW. Qual o comprimento de onda da radiação incidente? Determine a energia total absorvida por segundo pelo semicondutor. Calcule a taxa de energia térmica dissipada pela rede cristalina. 3 eV = 3∙(1.6 x 10-19) J E h c c l h l E h = 6.62 x 10-34 J∙s-1 8 3 x10 7 l 6.62 x10 34 4.14 x10 m 19 3 1.6 x10 l 414 nm Instrumentação Optoelectrónica 88 Detectores Fotodíodos Consultando o gráfico do slide 86 vemos que = 4 x 104 cm-1. Logo, a energia absorvida por segundo é: 0 1 eL 1x10 2 1 e 4 x10 4 0.25 x10 4 0.0063 J s1 6.3 mW A fracção da energia de cada fotão que é convertida em calor é h Eg h 3 1.12 62% 3 Assim, a potência dissipada para a rede é 62% * 6.3 = 3.9 mW Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos Consideremos um semicondutor iluminado. Num instante inicial, o número de portadores de carga gerado num volume unitário por um dado fluxo de fotões é n0. Num instante t posterior, o número de portadores n(t) no mesmo volume é inferior devido aos processos de recombinação n n0 e t com o tempo de vida do portador de carga. A taxa de recombinação vai ser t dn 1 n n0 e dt 89 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos Se considerarmos um fluxo constante de fotões a incidir na superfície do semicondutor (com área A = WL), o número total de fotões que atinge a superfície por unidade de tempo é n' h com a potência radiante incidente. Em regime estacionário a taxa de geração de portadores de carga, G, tem que ser igual à taxa de recombinação. Se a espessura do fotodetector, D, for muito superior à profundidade de penetração 1/, tem-se: G n h com h a eficiência quântica h W L D 90 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos A fotocorrente que atravessa o fotodetector é Ip q n n E W D E Ip q h vD n h L com E o campo eléctrico no interior do fotodetector e n a mobilidade dos electrões (cm2/V∙s) 91 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos Características eléctricas: Curva I - V 92 Instrumentação Optoelectrónica 93 Detectores Fotodíodos – características eléctricas Resistência de Shunt (Rsh): Corresponde ao declive na origem da curva corrente - tensão. Valor ideal = ∞ Valores reais = dezenas a milhares de MW Resistência em Série (Rs): Resulta da resistência dos contactos e do silício fora da região de depleção. Valor ideal = 0 Valores reais = 10 a 1000 W Capacidade da Junção (Cj): As fronteiras da zona de depleção actuam como os pratos de um condensador. Varia inversamente com a tensão de polarização inversa. Valores típicos 10 – 300 pF Instrumentação Optoelectrónica 94 Detectores Fotodíodos – Resposta e Ruído Duas fontes principais de ruído: Ruído Shot – flutuações estatísticas na fotocorrente e na corrente no escuro Is 2 e Iph I D f Ruído Johnson – Ruído térmico associado à resistência de shunt It In I2s I2t NEP In R W 4 k T f Rsh Valores típicos (NEP*): 10-11 W/Hz1/2 a 10-15 W/Hz1/2 Instrumentação Optoelectrónica 95 Detectores Fotodíodos – Polarização Polarização inversa – modo fotocondutivo Aumenta a linearidade Predomina o ruído Shot Melhora a velocidade (porque diminui a capacidade) Aumentam as correntes no escuro e de ruído No modo fotocondutivo a corrente no escuro duplica por cada aumento de 10ºC na temperatura http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/BiasedPN/ Instrumentação Optoelectrónica 96 Detectores Fotodíodos – Polarização Polarização directa – modo fotovoltaico Preferido para aplicações de baixo nível de sinal e baixa frequência (< 350 kHz) Configuração mais simples Menor sensibilidade da fotocorrente a variações térmicas No modo fotovoltaico a resistência de shunt duplica por cada aumento de 6ºC na temperatura http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/BiasedPN/ Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos – Data Sheet 97 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos – Data Sheet 98 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos – Data Sheet 99 Instrumentação Optoelectrónica 100 Detectores Fotodíodos de Avalanche (APDs) Os fotodíodos de avalanche são dispositivos semicondutores que podem detectar níveis extremamente baixos de radiação. Tal é devido a um mecanismo de ganho interno, algo que não existe nos fotodíodos convencionais Funcionam em regime de polarização inversa com tensões aplicadas ao cátodo que podem ir dos 1500 V aos 2400 V, consoante o ganho pretendido (10 a 500 tip.) Instrumentação Optoelectrónica 101 Detectores Fotodíodos de avalanche– características eléctricas Equivalente eléctrico igual ao do fotodíodo convencional I M I0 Id I – corrente de saída do APD M - ganho do APD I0 – fotocorrente primária (antes do ganho) Id – corrente no escuro Instrumentação Optoelectrónica 102 Detectores Fotodíodos de avalanche – Resposta e Ruído Duas fontes de ruído: Ruído Shot – flutuações estatísticas na fotocorrente e na corrente no escuro Is 2 e I0 M2 F Ids IdbM2 F f F – factor que mede variações no ganho Ruído Johnson – Ruído térmico associado à resistência de shunt It In I2s I2t NEP In MR W 4 k T f Rsh Valores típicos (NEP*): 10-12 W/Hz1/2 a 10-15 W/Hz1/2 Instrumentação Optoelectrónica 103 Detectores Fotodíodos de avalanche – Resposta e Ruído Relação sinal – ruído óptima: tipicamente cerca de 50 V abaixo da tensão de ruptura (breakdown) Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotodíodos de avalanche – Resposta temporal Os APDs são suficientemente rápidos para poderem ser empregues em aplicações de temporização Nas experiências de temporização não importa o atraso típico entre a detecção de um acontecimento e a produção do sinal indicativo desse evento mas sim as flutuações nesse atraso Neste exemplo a FWHM da resposta temporal é 400 ps. Este é o limite de resolução temporal imposto pelo detector 104 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotomultiplicadores (PMTs) São detectores com um cátodo fotoemissivo, um sistema de dínodos que proporciona um mecanismo de ganho por multiplicação de carga e um ânodo que recolhe a carga e proporciona um sinal de saída sob a forma de corrente. 105 Instrumentação Optoelectrónica 106 Detectores Fotomultiplicadores - Resposta Espectral A resposta espectral de um PMT depende do tipo de fotocátodo presente. hl R l h c R l 1240 100% l e l com l em nanómetros Instrumentação Optoelectrónica 107 Detectores Fotomultiplicadores - Resposta Espectral Fotocátodos semi-transparentes. Modo Transmissão Instrumentação Optoelectrónica 108 Detectores Fotomultiplicadores - Resposta Espectral Fotocátodos opacos Modo Reflexão Instrumentação Optoelectrónica 109 Detectores Fotomultiplicadores - Ganho Varia com a tensão aplicada à cadeia de dínodos Depende também da configuração e do número de dínodos multiplicadores de carga Instrumentação Optoelectrónica 110 Detectores Fotomultiplicadores - corrente no escuro Contribuições para a corrente no escuro: Emissão termiónica de electrões Ionização de gases residuais Cintilações do vidro Corrente de fuga ohmicas Emissão de campo NEP 2 e Id f R l Com o ganho de corrente e Id a corrente no escuro Valores típicos 10-15 a 10-16 W Instrumentação Optoelectrónica Detectores Fotomultiplicadores - Resposta Temporal 111 Instrumentação Optoelectrónica 112 Detectores Pratos de Microcanais (MCPs) Disco fino com milhões de micro tubos de vidro (canais) colocados num arranjo paralelo. Cada canal actua como um multiplicador de electrões. Os MCPs oferecem melhor resposta temporal que qualquer outro fotodetector, têm boa imunidade a campos magnéticos e preservam a informação espacial contida numa imagem Instrumentação Optoelectrónica 113 Detectores MCPs - Ganho Varia com a tensão aplicada ao prato de microcanais e com o número de andares no dispositivo Instrumentação Optoelectrónica 114 Detectores MCPs - Ruído Corrente no escuro é baixa e varia com a tensão aplicada ao prato de microcanais Instrumentação Optoelectrónica 115 Detectores MCPs - Resposta Temporal Resolução limite: 25 ps Instrumentação Optoelectrónica Detectores Intensificador de imagem Sistema constituído pelos seguintes componentes: Janela de entrada Fotocátodo MCP Ecrã de fósforo Janela de saída 116 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Intensificador de imagem Resposta espectral e eficiência quântica 117 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Intensificador de imagem Emissão espectral e tempo de decaimento do ecrã de fósforo 118 Instrumentação Optoelectrónica Detectores - CCDs O princípio de funcionamento do CCD – Charge Coupled Device 119 Instrumentação Optoelectrónica 120 Detectores - CCDs Pixel Registo de saída (a) Eléctrodos Electrões (b) para a amplificação de saída CCD simplificado de 9 pixéis, um registo de saída e um amplificador. Cada pixel está dividido em 3 regiões (eléctrodos que servem para criar um poço de potencial). (a) quando é feita uma exposição o eléctrodo central é mantido a um potencial superior ao dos outros eléctrodos. A carga resultante do processo de exposição é recolhida no eléctrodo central onde fica armazenada. (b) No fim da exposição os potenciais dos eléctrodos são modificados e a carga é transferida de um eléctrodo para o outro. Instrumentação Optoelectrónica 121 Detectores - CCDs (c) (d) (a) Os electrões são transferidos de pixel para pixel através da alteração sincronizada do potencial dos eléctrodos. As cargas à direita são conduzidas para o registo de deslocamento (b) A transferência horizontal das cargas é interrompida e carga no registo de saída é transferida verticalmente, uma a uma para um amplificador de saída. À saída do amplificador o valor analógico é digitalizado Instrumentação Optoelectrónica Detectores - CCDs 122 Instrumentação Optoelectrónica 123 Detectores - CCDs Binning Maior sensibilidade Menor ruído Menor resolução espacial Instrumentação Optoelectrónica Detectores CCDs – Pontos fortes 1. 2. 3. 4. Boa resolução espacial Eficiência quântica muito elevada: ~ 80 % (400 nm - 1 m) Ruído muito baixo Gama dinâmica elevada: profundidade de pixel ~ 106 e–, valor rms do ruído de leitura ~ 4 a 10 e– 5. Alta precisão fotométrica 6. Muito boa linearidade: << 0.1 % 7. Rigidez fiável: grelha de píxeis de formato fixo CCDs – Pontos fracos 1. 2. 3. 4. Ruído de leitura: 4 a 10 e- rms Leitura lenta: 10 a 100 s Saturação: poços de potencial cheios e alcance limitado do ADC Defeitos: “charge traps”, “hot pixels”, “black pixels” 124 Instrumentação Optoelectrónica Detectores CCDs – Eficiência quântica e Resposta Espectral Eficiência quântica elevada: maior nos dispositivos back-iluminated do que nos front-illuminated Resposta espectral extensa 15m 625m 125 Instrumentação Optoelectrónica Detectores CCDs – Eficiência quântica e Resposta Espectral Os CCDs muito finos exibem uma resposta espectral muito larga 126 Instrumentação Optoelectrónica 127 Detectores CCDs – Linearidade e Gama Dinâmica Os CCDs são extremamente lineares Permitem a detecção simultânea de objectos muito brilhantes e objectos muito ténues: gama dinâmica elevada – superior a 5 décadas Instrumentação Optoelectrónica Detectores CCDs – Ruído Ruído quântico A detecção de fotões pelo CCD é um processo estatístico O ruído estatístico segue uma distribuição de Poisson Ruído Térmico Electrões adicionais gerados no CCD sem absorção de fotões. A taxa de geração de electrões depende da temperatura de funcionamento do detector 128 Instrumentação Optoelectrónica Detectores CCDs – Ruído Ruído de Leitura Trata-se do ruído do amplificador de carga (conversão carga – tensão) incluído no circuito integrado O ruído do amplificador tem uma característica 1/f para frequências de amostragem baixas e é ruído branco para frequências de amostragem elevadas . 129 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Especificações de uma câmara CCD 130 Instrumentação Optoelectrónica Detectores Câmaras digitais científicas Câmaras CCD Câmaras EMCCD (Electron Multiplying CCD) Câmaras CMOS Câmara CCD Intensificadas 131 Instrumentação Optoelectrónica 132 Detectores Câmaras digitais científicas Estrutura típica de um CCD Estrutura típica de um sensor de imagem CMOS Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 133 Detectores CCD Apenas um amplificador para todo o array de píxeis A carga armazenada é transferida sequencialmente através de registos paralelos para um registo série linear e daí para um nodo de saída adjacente ao amplificador. É um dispositivo de leitura em série. O baixo ruído é conseguido à custa de uma velocidade de leitura baixa Estrutura típica de um CCD A tecnologia CCD está amadurecida. Está-se perto dos limites em termos de eficiência de detecção e redução de ruído de leitura e térmico Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 134 Detectores CCD São os CCDs mais sensíveis A carga acumulada é deslocada verticalmente linha a linha até ao registo de leitura série. Cada linha deste registo tem que ser deslocada horizontalmente para permitir a leitura píxel a píxel: full frame CCD Progressive scan readout Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 135 Detectores CCD Nesta arquitectura metade do array de píxeis é usada como região de armazenamento e está protegida da luz incidente por uma máscara estanque. A luz incide na região exposta. A carga acumulada é transferida rapidamente para a região de armazenamento (em milissegundos). A leitura da carga acumulada é feita em simultâneo com uma nova exposição. frame transfer CCD Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 136 Detectores CCD Este tipo de CCDs incluí canais de transferência de carga denominados Interline Masks que estão adjacentes a cada píxel de forma a assegurar a transferência rápida da carga após a exposição Interline CCD Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 137 Detectores CMOS Cada píxel ou, mais tipicamente, cada coluna de píxeis está associado a um amplificador. É possível ler em paralelo uma linha de píxeis. O sensor CMOS é um dispositivo de leitura em paralelo e pode atingir taxas de leitura elevadas (centenas de frames por segundo) Estrutura típica de um sensor de imagem CMOS A tecnologia CMOS necessita ainda de desenvolvimentos consideráveis para poder competir com a tecnologia CCD em termos de desempenho em aplicações científicas. Os sensores CMOS usam vários amplificadores cada um com a sua linearidade, ganho e ruído. Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 138 Detectores EMCCD A estrutura é similar à do CCD frame transfer convencional. Antes de a carga ser lida no nodo de saída passa por um registo adicional onde é amplificada através de processos de ionização por impacto. Estrutura típica de um sensor de imagem EMCCD Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 139 Detectores CCD + Intensificador (ICCD) As câmaras ICCD permitem tempos de exposição muito curto través da aplicação de um impulso de gate entre o fotocátodo e o MCP. Aplicando uma tensão positiva é possível suprimir os electrões gerados no fotocátodo. Se comutarmos para uma tensão negativa os fotoelectrões são acelerados para o MCP para posterior amplificação e detecção. A incerteza no ganho do intensificador de imagem constitui uma fonte de ruído. A contribuição desta fonte de ruído é muitas vezes traduzida num factor de escala aplicado ao ruído quântico: cerca de 1.6 a 2.2 para intensificadores de 2ª geração e 3.5 a 4.2 para intensificadores de 3ª geração (fotocátodos semicondutores) Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 140 Detectores CCD + Intensificador (ICCD) a) b) Imagem de um alvo de teste USAF 1951: a) CCD; b) ICCD Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica Detectores Defeitos em Câmaras Black pixels (ou Cool Pixels) regiões do sensor (tipicamente píxeis ou agrupamentos de píxeis) com uma resposta significativamente mais baixa do que a resposta dos píxeis vizinhos (inferior a 75% da resposta dos píxeis vizinhos) Hot pixels regiões do sensor com uma corrente no escuro muito superior ao valor especificado (mais de 50 vezes superior ao especificado) 141 Instrumentação Optoelectrónica 142 Detectores Resolução espacial A resolução espacial de um CCD é função do número de píxeis e do seu tamanho relativamente às dimensões da imagem Consideremos uma imagem de um objecto circular com um diâmetro inferior a um píxel. Se a imagem estiver localizada directamente sobre o centro de um píxel a câmara reproduz o objecto como um quadrado de um píxel Quando a imagem se forma no vértice de 4 píxeis a câmara reproduz ainda o objecto como um quadrado. Neste caso de maiores dimensões e mais atenuado. Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 143 Detectores Resolução espacial Se o diâmetro da imagem do objecto for equivalente a uma ou a duas diagonais de um píxel a reprodução do objecto continua a não ser boa e varia de forma acentuada conforme a imagem se localizar no centro ou no vértice de um píxel. A reprodução do objecto só começa a ter alguma fidelidade quando a imagem cobre 3 píxeis sendo agora independente da localização da imagem. Há ainda outros factores, como a qualidade do sistema de imagem e o ruído da câmara que condicionam a reprodução precisa de um objecto. Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK ) Instrumentação Optoelectrónica 144 Caracterização de câmaras CCD Relação sinal/ruído I2 SNR 10 log var I dB 2 1 1 1 var I var I1 I2 Id Id 2 2 N1 Id é a diferença entre duas imagens adquiridas com o mesmo tempo de exposição A média da imagem diferença ( Id ) e a sua variância são calculadas para um sub-conjunto de todos os píxeis da imagem e normalizadas ao número N de píxies na sub-imagem. Methods for CCD Camera Characterization J.C. Mullikin, L.J. van Vliet, H. Netten, F.R. Boddeke, G. van der Feltz and I.T. Young Instrumentação Optoelectrónica 145 Caracterização de câmaras CCD Relação sinal/ruído A partir da relação #ADU Ne G com G o ganho electrónico (nº de bits ou ADUs por electrão) podemos calcular a relação sinal/ruído ideal (máxima) 2#bits 1 SNR 10 log G dB Methods for CCD Camera Characterization J.C. Mullikin, L.J. van Vliet, H. Netten, F.R. Boddeke, G. van der Feltz and I.T. Young Instrumentação Optoelectrónica 146 Caracterização de câmaras CCD Sensibilidade Esta medida relaciona o número de unidades digitais do conversor ADC (ADUs) com o número de fotões incidentes capturados por pixel. II S h G F dark Ap texp w O numerador relaciona os valores médios de duas imagens adquiridas como mesmo tempo de exposição: uma imagem sem iluminação e uma imagem com iluminação. é o fluxo de fotões incidente no CCD (nº de fotões por segundo) Ap é a área do pixel h a eficiência quântica w a transmitância da janela da câmara F o filling factor (fracção do pixel que é fotosensível) da câmara Methods for CCD Camera Characterization J.C. Mullikin, L.J. van Vliet, H. Netten, F.R. Boddeke, G. van der Feltz and I.T. Young Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção DC O sinal de saída do detector é transmitido integralmente e sem processamento para a electrónica Tipicamente a electrónica executa a conversão corrente-tensão Tanto a componente de sinal como a componente de ruído são convertidas. Qualquer componente de luz constante (luz ambiente) é igualmente convertida 147 Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção “lock-in” ou sensível à fase A técnica de detecção lock-in ou detecção sensível à fase é utilizada para detectar e medir sinais AC muito pequenos mesmo na presença de fontes de ruído de maior amplitude Os amplificadores lock-in usam uma técnica denominada detecção sensível à fase para isolar uma componente do sinal de entrada com uma dada frequência e fase. Componentes de ruído com frequências distintas da frequência de referência são rejeitadas. 148 Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção “lock-in” ou sensível à fase Exemplo: Sinal: onda sinusoidal de 1 μV a 10 MHz - É necessário amplificar o sinal. Seleccionamos um amplificador de baixo ruído: ruído equivalente à entrada 3 nV/√Hz; largura de banda 200 MHz; ganho 1000 A saída será: 1 mV de sinal; 43 mV de ruído de banda larga ( 3 nV/√Hz × √200 MHz × 1000 ) 149 Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção “lock-in” ou sensível à fase Solução: Isolar a frequência de interesse: usar um amplificador com detector sensível à fase (PSD) PSD pode detectar o sinal com frequência de 10 MHz utilizando uma largura de banda de apenas 0.01 Hz (ou ainda menos) Detecção com uma largura de banda de 1 Hz: o ruído será 3 μV ( 3 nV/√Hz × √1 Hz × 1000 ) A relação sinal-ruído é 300. 150 Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção “lock-in” A detecção lock-in exige uma frequência de referência. Tipicamente uma experiência produz um sinal modulado a uma frequência fixa (obtida quer modulando directamente a fonte de luz, quer modulando o ganho do detector). O amplificador lock-in detecta a resposta da experiência apenas para a frequência de referência 151 Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção “lock-in” Consideremos que a frequência de referência é uma onda sinusoidal com frequência ωR. Se esta frequência foi usada para modular a experiência então a resposta da experiência será um sinal sinusoidal: VI sin R t I O amplificador lock-in multiplica a saída da experiência pelo sinal de referência: VR sin R t R Da multiplicação resulta: VM1 VI VR sin R t I sin R t R 1 1 VI VR cos R t R R t I VI VR sin 2 R t R I 2 2 152 Instrumentação Optoelectrónica 153 Métodos de Detecção Detecção “lock-in” Como os dois sinais têm a mesma frequência a primeira parcela corresponde a um sinal dc. A segunda parcela é um sinal de frequência 2ωR, que corresponde a uma frequência mais alta e pode ser retirado por filtragem. Após o filtro passa-baixo temos VM1 FILT 1 VI VR cos R I 2 Este sinal é proporcional à diferença de fase entre o sinal de referência e o sinal da experiência: detecção sensível à fase Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção “lock-in” Para medir VI é necessário que a diferença de fase R-I seja conhecida e estável. Isso obriga a utilizar um outro circuito misturador de sinais (mixer) Um esquema empregue é usar um 2º mixer com entrada de referência desfasada de 90º relativamente ao 1º mixer: VR sin R t R 2 154 Instrumentação Optoelectrónica Métodos de Detecção Detecção “lock-in” A saída do 2º mixer será: VM2 1 1 VI VR cos R I VI VR sin 2 R t R I 2 2 2 2 Após filtragem VM2 FILT 1 1 VI VR cos R I VI VR sin R I 2 2 2 155 Instrumentação Optoelectrónica 156 Métodos de Detecção Detecção “lock-in” Com a saída de ambos os mixers é possível determinar as seguintes quantidades: Amplitude R 2 VR VM1FILT 2 VM2FILT 2 VM2FILT Fase R I arc tg VM1FILT Componente em Fase X R cos R I Componente em Quadratura Y R sin R I Instrumentação Optoelectrónica 157 Métodos de Detecção Contagem de fotões A contagem de fotões pode ser empregue usando detectores com mecanismos de ganho por multiplicação de carga (PMTs e APDs) para detectar sinais de baixa intensidade. No modo de funcionamento normal a saída do PMT é uma corrente dc com flutuações Para níveis de iluminação baixos temos separação dos fotões incidentes que podem ser detectados como impulsos individuais – regime de monofotão Não basta contar os impulsos. Há que os descriminar em amplitude de forma a rejeitar, por ex. eventos de ruído Instrumentação Optoelectrónica 158 Exemplo: Contagem e temporização de fotões Tempo de vida de fluorescência: cronometragem de monofotão Fonte de luz pulsada Filtro Espectral Linha de atraso variável Câmara de amostras Filtro espectral STOP PMT (ou APD ou MCP) START Computador PC com Conversor Tempo-Digital Instrumentação Optoelectrónica 159 Exemplo: Contagem e temporização de fotões Tempos de vida de fluorescência: cronometragem de monofotão Determina-se experimentalmente o histograma da distribuição dos instantes de chegada do primeiro fotão de fluorescência. Consideremos que, num dado ciclo de excitação, um número médio de fotões zi atinge o fotocátodo do detector, durante o intervalo de tempo ti - 1/2, ti + 1/2, correspondente ao canal i do histograma. Se h for a eficiência quântica do fotocátodo, o número médio de fotoelectrões ejectados é w i h zi Instrumentação Optoelectrónica 160 Exemplo: Contagem e temporização de fotões Tempos de vida de fluorescência: cronometragem de monofotão A probabilidade de serem emitidos n fotoelectrões no intervalo de tempo i obedece a uma distribuição de Poisson: pn w i i n! n e wi Desta distribuição obtém-se: p0 i e wi p1 i 1 p0 i 1 e wi Instrumentação Optoelectrónica 161 Exemplo: Contagem e temporização de fotões Tempos de vida de fluorescência: cronometragem de monofotão Decorrido um número elevado de ciclos de excitação, C, o número NFi de impulsos produzidos pelo fotodetector no intervalo de tempo correspondente ao canal i ser N Fi C 1 e wi Se considerarmos w i « 1 podemos escrever 2 wi N Fi C 1 1 w i C w i 2 O número de impulsos produzido pelo fotodetector, no instante ti correspondente ao canal i, é proporcional ao fluxo de fotões de fluorescência nesse mesmo instante. Instrumentação Optoelectrónica 162 Exemplo: Contagem e temporização de fotões Tempos de vida de fluorescência: cronometragem de monofotão Histograma da distribuição dos instantes de chegada do primeiro fotão de fluorescência.
