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Eletrônica II

EE 640

Fotodetectores e

Sensor de Pixel Ativo

Prof. Fabiano Fruett

UNICAMP – FEEC - DSIF

Sala 207

www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano

FotodetectoresSensores (conversores de energia no domínio radiante - distribuída no

espectro eletromagnético - para energia no domínio elétrico).

Alguns tipos são:

Fotoresistores ou Light Dependent Resistor (LDR)

Fotodiodos

Fototransistores

Charge-Coupled Device (CCD)

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Active-Pixel Sensor (APS)

• Cada pixel (sensor radiante) contém, além do fotodetector, um circuito eletrônico (amplificador)

• CMOS APS estão se tornando extremamente comuns em câmeras de telefones celulares e computadores

• Os APSs são normalmente apresentados na forma de Circuito Integrado, sendo dispostos em um array de pixels ou Focal Plane Array (FPA)

• Os APSs sugiram como uma alternativa aos Charge-Coupled Devices (CCSs)

APS vs. CCD

• APSs surgiu como alternativa aos sensores

CCDs que eram padrão para imagem digital

• APSs combinam sensor e eletrônica em um

mesmo chip

• APSs são mais baratos que os CCDs

• Consumo de potências e escalonamento

também são favoráveis aos APSs

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1970 – Primeiro CCD

8 Bit, Bell Labs

6Década de 70

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CMOS APS

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Matrixw.jpg#filelinks

Etapas de processo de conversão de energia entre

os domínios radiante e elétrico em um sensor

semicondutor genérico

• Luz incide na superfície do semicondutor

• A Luz é transmitida passando pela cobertura e

sendo absorvida pelo silício

• Fótons absorvidos geram pares elétron-lacuna

• Excesso de carga é gerado

• Carga é convertida em um sinal elétrico

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Geração radiante em um semicondutor

ph

hcE hν

λ= =

Energia do fóton:

a) ph g

hcE E

λ= >

b) ph g

hcE E

λ= <

h é a constante de Planck

c a velocidade da luz no vácuo

λ é o comprimento de onda do fóton

v é a frequência do fóton

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Espectro Eletromagnético

700 600 500 400

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Radiometria e Fotometria

• Radiometria refere-se a medida da energiaeletromagnética. Os termos de radiometriaaplicam-se em qualquer parte do espectroeletromagnético.

• Fotometria refere-se a parte do espectro visível. Fotometria leva em conta a eficiência visual da luz pelo olho humano

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Curva de eficiência luminosa relativa

• Radiometria aplica-se a

todos os comprimentos

de onda do espectro

eletromagnético

• Fotometria aplica-se

apenas a porção do

espectro visívelvermelho

laranja

amareloverde

azul

violeta

Vλ

PV = PR Vλ

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Unidades radiométricas e fotométricas

Symbol (SI units)

Radiometric Fotometric Definition

Q Radiant energy [J] Luminous energy [Talbot] P, Φ Radiant power or flux [W] Luminous power or flux [lm] /dQ dTΦ = E Irradiance [W m-2] Illuminance [lm m-2] Power per unit area I Radiant intensit [W sr-1] Luminous intensity [lm sr-1] Power per unit solid

angle L Radiance [W m-2 sr-1] Luminance [lm m-2 sr-1] Radiant/luminous

intensity per unit projected area in a given direction

dt

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Ângulo sólido

Steradian (sr)

Fonte: http://www.schorsch.com/kbase/glossary/solid_angle.html

Intensidade radiante

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Reflexão, refração e retransmissão

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Refletância

A refletância da interface

determina a quantidade da

intensidade transmitida, que

efetivamente penetra na

mídia:

0 rI I I= −

0 (1 )I I= − ℜ

ℜ Transmitância da interface Si-ar

para diferentes espessuras da camada

do óxido

(1 )− ℜ

Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002

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Absorção

A absorção de fótons refere-se

a atenuação de sua energia por

um processo de conversão para

outras formas de energia.( ) ( )I x I x xα∆ = − ∆

( ) ( )0 expI x I xα= −

Beer´s law:

( ) ( ) ( )I x I x x I x∆ = + ∆ −

α é o coeficiente de absorção

( ) ( )I xI x

xα

∂= −

∂Integrando esta equação

diferencial temos:

Consideramos aqui que a

irradiação monocromática

transmitida é: I(x) = I0

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Variação do coeficiente de absorção α com λ para

diferentes semicondutores

Fonte: J. Wilson and J. Hawkes, Optoelectronics, Prentice Hall

Coeficiente

de absorção

α [m-1]

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Coeficiente de penetração no Si


1/α

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Absorção da intensidade radiante em função

da profundidade no Si

( ) ( )0 expI x I xα= −

( )0

I x

I

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Geração

ph

hcE hν

λ= =

ph gE E>

maxg

hc

Eλ =

Bandgap Direto Bandgap indireto

ph gE E≥

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Geração

A quantidade de portadores gerados, a partir da

superfície até uma determinada profundidade (d), devido

a uma irradiação monocromática E0 com λ<λmax sendo

transmitida através de um semicondutor, pode ser

calculada da seguinte forma:

( )( )0 1 expg i

Er d

hc

λη α= − − [m-2 s-1]

d

eficiência quântica interna

- Conversão térmica

- Bandgap indireto

max

Si 40%

GaAs 70%

iη

( )( )1 exp dα− −

iη

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Portadores fotogerados em diferentes regiões

de uma estrutura p-n


Os portadores fotogerados podem:

– Recombinar imediatamente

– Recombinar depois de algum tempo

– Separar imediatamente pela ação de um campo elétrico

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Camada de depleção - junção pn

Junção pn sem

polarização


Junção pn com

polarização reversa

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02 Si A Dd

A D

N NW

q N N

ε ε φ +=

2ln A D

i

N NkT

q nφ

=

( )12

02 Si A Dd b

A D

N NW V

q N N

ε ε φ += +

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Camada de depleção - MOS

é o potencial na superfície

do semicondutor

2d S

A

xqN

ε φ=

2 A SG S

OX

NV

C

ε φφ= +

Sφ

Cria-se um “poço potencial”, onde elétrons gerados fotonicamente

serão armazenados e posteriormente transferidos. Este é o

princípio de funcionamento de um Charge-Couple-Device (CCD).


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Fotodiodo


( )( )1 exp dα− −

dp

dn

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Fotodiodo em modo fotocondutivo

( ) ( )1 p nd d

i e eα αη η − −= − ℜ −EAq

ihcλ

η λ=

E é a irradiação luminosa incidente

A a área incidente

q a carga do portador

η a eficiência quântica total

o comprimento de onda da luz incidenteλ

Quando uma junção semicondutora é polarizada reversamente

e uma fonte de luz monocromática, com Eph>Eg, incide sobre

sua superfície, tem-se um acréscimo na corrente de polarização

reversa, sendo:

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Detectores coloridos

• Modulação da camada de depleção

• Filtros coloridos

• Junções empilhadas

Ref: P. French and S. Middelhoek, Sensors, TUDelft

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Fotodiodo p-i-n

Maximiza a eficiência quântica

para o o comprimento de onda de

0.8 até 0.9 µm


1/λ

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Fotodiodos em um processo CMOS poço n


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Característica I-V de uma junção pn

Fonte: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Electronic/ietron/pdio4.gif

Modelo Eletrônico do fotodiodo

• IP é a corrente fotogerada

• Rsh é a resistência paralela

• CD é a capacitância de depleção do diodo em condição de

polarização reversa

shDP RCDI

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Pixel Passivo

T1

Coluna

de saída

Vsel

Fotodiodo

Fonte:

G. P. Weckler. Operation of p-n junction photodetectors in a photon flux integration mode. IEEE J. Solid-State Circuits,

vol. SC-2, 65–73, 1967.

D. W. de Lima Monteiro. CMOS Integrated Wavefront Sensor. DUP Science, 2002

Pixel ativo – circuito conceitual

Fotodiodo

Vout

Vrst

Ibias

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Pixel ativo

T1

T4

T3

T2

Vreset

Fonte:

P. Noble. Self-scanned image detector arrays. IEEE Trans. Electron Devices, 15, 1968.

F. S. Campos. Sistemas de Imagem CMOS com Alta Responsividade e Elevada Faixa Dinâmica. Tese de Doutorado, FEEC,

UNICAMP (2008).

Fotodiodo

Transistor de Reset (T1)

Seguidor de fonte (T2)

Seletor de linha (T3)

Pixel

linha

coluna

VoutVpol

A fonte de corrente T4

não faz parte do pixel

Realizações

• APS em tecnologia NMOS porta metálica do

CCS-UNICAMP

Fonte: André Furtado, Fabricação e Caracterização de Sensor de Pixel Ativo com Tecnologia NMOS de Porta Metálica,

Dissertação de mestrado, FEEC, UNICAMP, 2009

Projeto: Simulação:

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Layout do APSSeção transversal do NMOS:200 µm



Layout do FPA 2×2



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Resultados experimentais

fabricação do APS



Resultados experimentais

FotodiodoCorrente de escuro: Fotocorrente:



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Transistor NMOS porta metálica



APS



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APS – corrente de escuro



Referências Bibliográficas

• André Santos de Oliveira Furtado, Dissertação de Mestrado, Fabricação e

Caracterização de Sensor de Pixel Ativo com Tecnologia NMOS de Porta

Metálica, Unicamp, FEEC, dezembro 2009

• J. Wilson and J. Hawkes, Optoelectronics, Prentice Hall, ISBN 0-13-103961-X

• S. Middelhoek, S. A. Audet and P. J. French, "Silicon Sensors", DelfUniversity of Technology, 2000

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FIM

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