OPTOELECTRONICS

1. 1
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK BÖLÜMÜ
FOTO DEDEKTÖRLER
Hazırlayan
A.Kürşat Bilgili
Master:138302202

2. 2
Foton Sayma Teknikleri
Çok düşük seviyeli sinyallerle ilgilendiğimizde foton
sayma oldukça faydalı bir tekniktir.
Eğer katot kuantum verimi birse (1), bu durumda
fotokatoda her çarpan foton, anottaki her bir akım
atmasında arıtışa sebep olur.
Belli fotoyükseltici tasarımları için bu akım atmalarının
büyüklüklerinin tanımlı limitlere oldukça yakın kaldığı
gürültü atmalarının ise daha büyükçe genlik dağılımına
sahip oldukları bulunmuştur. Tipik bir sinyal ve gürültü
içeren atma yüksekliği dağılımı Şekilde gösterilmiştir

3. 3
Bir foton sayma sistemi temelde bir atma yüksekliği ayırıcısına çiftlenmiş hızlı bir
atma sayıcısı içerir.
Atmalar önceden konulmuş belli limitlerin dışında olduklarında sayıcı tarafından
ihmal edilirler.
Bundan dolayı, sadece çok iyi tanımlı sinyal piklerinin içinde kalan sinyallerin
kabul edilmesiyle, sinyal / gürültü oranında oldukça iyi bir iyileştirme yapmak
mümkündür

4. 4
Eğer tespit edilecek ışık sinyali açık / kapalı olacak
şekilde kesilecekse, bu durumda taban gürültü
seviyesinde başka bir indirgeme, hem sinyal ve
hem de gürültü saymaları varken, sayma oranından
(miktarından) sinyalin uzakta olması durumunda
sayma oranının çıkartılmasıyla elde edilebilir.

5. 5
3.DEDEKTÖR PERFORMANS
PARAMETRELERİ
 Kuantum Verimliligi (Quantum
Efficiency)
 Dedektör Cevap Süresi (Responsivity)
 Kazanç (Gain)
 Spektral Duyarlılık
 Detectivity

6. 6
2.1.Fotoiletken dedektörler

7. 7

8. 8
Bant aralığı enerjisi
Silikon için 1,11 eV,
Germanyum için 0,67 eV,
GaAs için 1,42 eV
InGaAs için 0,75 eV tur.
Böylece kesikli dalga boyları 1,13µm, 1,85µm, , 1,65µm
olarak bulunur.
λc=hc/Eg
λc=1,24/Eg (eV)

9. 9
Detektörleri Tanımlayan En Önemli Karakteristik
Özellikler
 Kuantum Etkinliği; bir dedektörün üzerine düşen
ışınım mikatarının ne kadarına yanıt verdiğini ifade
eder. Genelde QE ile gösterilir ve QE= ölçülen foton
sayısı/gelen foton sayısı ile tanımlanır.
 Tayfsal Yanıt; bir dedektöre farklı dalgaboylarında
fakat eş enerjili ışınlar gönderdiğimizde, çıkışında elde
edilen yanıt dalgaboyuna göre değişecektir. Yani
dalgaboyuna göre dedektörümüzün yanıt verme
verimliliğini tanımlar.
 Gürültü; ideal olarak, çıktı sinyali gelen foton sayısı ile
doğru orantılı olmalıdır. Ancak çıktı sinyalinde daima
belirsizlikler olacaktır. Bu belirsizlikler genelde
“Gürültü” olarak adlandırılır. Bu belirsizlik
Sinyal/Gürültü Oranı (S/N)
parametresi ile ölçülür.
Temel gürültü kaynakları:
(1) Gözlenen kaynaktan gelen foton gürültüsü,
(2) Aletsel gürültü.

10. 10
Dedektivite
Dedektivite dedektör alanına ve elektriksel bant aralıgına
oranlanmıstır ve dedektör performansını belirlemek için
yeterlidir.
Tepkisellik ve dedektivite tek piksel dedektör performansını
belirlemek için yaygın
olarak kullanılan göstergelerdir.
Dedektivite=tepkisellik*alan*frekans/gürültü

11. 11
FOTODİYOT
Fotosalıcı Aygıtlar.
Kritik bir değerden daha düşük bir dalga boylu radyasyon bir metal
yüzeyine geldiğinde elektronların salındığı bulunmuştur, bu foto salma
veya fotoelektrik etki olarak adlandırılır.
e
hv
E
e 
Vaküm seviyesi
Metal
Foton

12. 12
 hv enerjili bir foton metale girerse
soğurulabilir ve enerjisini bir elektrona
verebilir. Elektronun yüzeye ulaşabileceği
ve  iş fonksiyonunu göstermek üzere e
ile verilen yüzey potansiyel engelini
aşacak enerjiye sahip olması garanti
edilirse elektron yüzeyden kaçabilir.
 Eğer elektron başlangıçta Fermi
seviyesindeyse salınma durumundaki
kinetik enerjisi
 E =hv-e

13. 13
ile verilir. Bununla birlikte elektron
başlangıçta Fermi seviyesinin altında olabilir
ve salınma önce elastik olmayan
çarpışmalardan olumsuz yönde etkilenebilir.
hv< e olduğunda veya >hc/ e hiçbir
elektron salınması olmayacaktır. Eğer
uyarılmış elektronların elastik olmayan
çarpışmalarının ihtimali yüksekse böylece
bunların bir kısmı kaçabilirler. (Yayınlanan
elektronların soğurulan fotonların
sayısına oranı Kuantum ürünü veya
kuantum verimi olarak adlandırılır.)

14. 14
Saf metaller yüksek iş fonksyonları ve
düşük kuantum verimlerine %10 sahip
olduklarından nadiren pratik fotokatodlar
olarak kullanılınırlar ve sezyum B si düşük
değere sahip olan elemandır (2.11ev).
Pratik fotosalıcı yüzeyleri iki guruba
ayırabiliriz.
 a-Eski klasik tipler
 b-Yeni negatif elektron çekici tipler NEA.

15. 15
A- Birincisi gruptaki alkali metaller (genelde
Cs içeren) ve bir veya daha fazla periyodik
tablonun V. grubundan metalik element
mesela Sb içeren buharlaştırmayla
oluşturulmuş bir ince tabakayı içerir bunlar S
sayısıyla gösterilir. Elektron yüzeyden
kaçmak için en azından Eg + X lık bir
enerji kazanmak zorunda olur. Burada Eg
enerji aralığı ve X elektron Çekiciliğidir.
Örneğin NaKCsSb (S20) maddesinde Eg =
1ev ve X = 0.4ev tur. Böylece gözlenene
yakın 1.4ev luk bir foton enerjisinin eşik
değerine sahip olunmaktadır.

16. 16

17. 17

18. 18

19. 19

20. 20

21. 21
B- Band bükülmesi yarıiletken enerji aralığı içinde
bulunan durumlardan meydana gelir. Bir p-n ekleminde
p-maddesi içinde oluşan çokça benzer tarzda, yüzeyde
bir ayrılma (depletion) bölgesi oluşur. Ayrılma bölgesi
boyunca potansiyel düşme şeklinde band bükülmesi
olur.

22. 22
Xeff = X – Vs

23. 23
NEA FOTOKATODLAR
Pratikte NEA fotokatotları ince bir sezyum veya
oksit tabakanın buharlaştırma yoluyla yarıiletken
yüzey üzerinde konulmasıyla oluşturulur. GaAs
kullanan fotoaktotlar başarılı olarak
kullanılmışlardırlar. Bunlar GaAs ın enerji
aralığına karşılık gelen bir dalga
boyuna=0.9(micrometer) kadarlık yüksekce
kuantum verimleriyle çalışırlar. Şu ana kadar
herhangi bir seviyedeki kuantum verimiyle 1.1m
veya üzerinde çalışabilecek NEA fotokatot
yapabileçeği ispatlanmamıştır. Düşük fiyat
sebebiyle görünür bölgede klasik tiplere göre
üstün özelliklere sahiptirler.

24. 24
CCD (Charge-coupled device)
 Maksimum duyarlılık için görüntü
alanındaki resim noktalarının bir-bir
karşılığı veren ve yeterli sayıda dedektör
elemanından oluşan iki boyutlu dedektör
dizini kullanılmaktadır.
 25-50 um piksel genişliği, 320x240,
512x512 (IR)
 10 um piksel genişliği, 5120x5120
(Görünür)

25. 25
CCD (Charge-coupled device)
 CCD; ince silikon bir tabakanın binlerce veya
milyonlarca ışığa duyarlı bölgelere ayrılarak (
piksel ) görüntü bilgisinin toplandığı ve iletildiği
foton detektörü ve yük iletim sisteminden oluşur.
Amaç görüntü bilgisini yüksek çözünürlükte
depolamaktır.
 CCD sistemlerin en büyük avantajı istenen
görüntünün anında kaydedilebilmesidir.

26. 26
Bir CCD ‘de görüntü oluşumu 4 temel aşama veya fonksiyondan meydana
gelir:
Fotona hassas bölgede yük oluşumu ( MOS tüketim bölgesi)
Serbest yüklerin depolanması ( Potansiyel kuyusu)
Yük transferi ( Elektrotlar )
Yük ölçümü (Readout Node)

27. 27
CCD’nin Çalışma Prensibi
 Bir CCD’nin bir görüntü üretmesi için yapması gereken
4 şey vardır:
 • Yük üretimi Fotoelektrik Etki, fotonların
yakalanması
 • Yük Toplama pikseller: (kapı olarak
adlandırılan) elektrotlardan
oluşmuş alan, elektronların biriktirilmesi
 • Yük aktarımı Kapılar yoluyla bir fark akımının
uygulanması. Sinyal elektronlarının dikey
kayıt birimlerinden (sütunlar)
aşağıya doğru yatay kayıt birimine aktarılması. Her
satırın yonga-üzeri yükseltici tarafından
ardıardına okunması.
 • Yükün algılanması Her bir yük paketinin bir çıkış
voltajına dönüştürülmesi ve sayısal
olarak kaydedilmesi. Birim ADU

28. 28
CCD’nin artıları ve eksileri
 Artıları:
 Piksel başına toplanan yükle gelen foton akısı arasında doğrusal ilişki
olması.
 65565 elektrona kadar yük biriktirme kapasitesi (full well capacity) ile
büyük bir dinamik aralığa sahip olması.
 Bir çok modern inceltilmiş/arkadan aydınlatmalı alette %100’e varan
çok yüksek bir kuantum etkinliğine ulaşılabilmesi.
 Verinin alınır alınmaz doğrudan bilgisayar yardımıyla işlenebilmesi.
 Uzun zaman aralıkları boyunca ışık toplayabilmesi.
 Yonga-üzeri satır/sütun birleştirme (on-chip binning) yoluyla CCD
üzerinde sinyal işlenebilmesi.
 CCD’nin Sıvı Azot sıcaklıklarına kadar (77 K) soğutulmasıyla ısısal
gürültünün çoğunun yokedilebilmesi. Ayrıca, CCD’lerin doğrusal (ve
sayısal) olması nedeniyle bir çok pozun Poisson gürültüsünü azaltmak
amacıyla birleştirilebilmesi.
 Özelliklerinin `ideal’ algılayıcıya çok yakın olması.
Eksileri:
Oldukça pahalı olması. Bilimsel amaçlı 1K x 1K boyutlarında
küçük bir CCD için bile 10,000 $.
Aynı türden her CCD’nin genel özellikler bakımından benzer
ama eşdeğer olmaması

29. 29
CCD’nin Yapısı
CCD’nin görüntü alanı merceğin
odak düzlemine konur.
Böylece bir elektrik yük
deseninden oluşan görüntü elde
edilir.
Poz süresi sonunda bu desen,
yonga üzerindeki seri kayıt
bölümü yoluyla, pikseller
olarak aktarılır.
Dış ortamla elektrik bağlantıları
seri bağ birimleri ve yonganın
çevresindeki ince altın tellerle
sağlanır.
Bağlantı uçları
Altın bağ telleri
Bağlantı birimleri
Silikon yonga
Metal,seramik ya da plastik paketGörüntü alanı
Seri kayıt birimi
Yonganın yükseltici birimi
CCD’nin Yapısı

30. 30
Bir piksel
Görüntünün sütunlarını tanımlayan kanal stopları
Pikselleri düşey
olarak tanımlayan
yatay elektrotlar.
Bunlar aynı zamanda
okuma sırasında yük
aktarımı için de
kullanılmaktadır.
Plan Görünümü
Kesit
Burada bir CCD’nin görüntü alanının bir kaç piksellik küçük bir bölümü görülmektedir.
Bu desen yonga boyunca yinelenir.
Elektrot
Yalıtıcı oksit
n-türü silikon
p-türü silikon
Her üç elektrot birbirine bağlanmıştır. Yonganın kenarından aşağı inen “Bus” telleri
bağlantıyı sağlar. Kanal stopları silikon içindeki yüksek yoğunluklu Boron’dan oluşur.
CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

31. 31
Seri kayıt birimi’nin sonundaki
yonga-üzeri yükseltici
Seri Kayıt Birimi’nin kesiti
Görüntü Alanı
Seri Kayıt Birimi
Seri Kayıt Birimi’nde her üç
elektrot birbirine bağlıdır.
Aşağıdaki görülen görüntü alanı (yatay elektrotların yeraldığı alan) ‘Seri kayıt
birimi’dir. Bu aynı zamanda bir gurup küçük yüzey elektrotundan oluşur. Görüntü
alanının her sütunu için üç elektrot bulunur.
CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

32. 32
Seri kayıt birimi, çıktı
yükselticisini yonganın
kenarından uzağa
hareket ettirebilmek
için ikiye katlanmıştır.
Oklar, yükün alet içinde
nasıl aktarıldığını
göstermektedir.
Silicon’un
kenarı
160m
Görüntü Alanı
Seri Kayıt Birimi
Okuma Yükselticisi
Bustelleri
Bir EEV CCD’nin bir köşesinin mikrofotoğrafı
CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

33. 33
OD
OS
RDRSW
Çıktı
Düğümü
Topraklama
Çıktı
Transistörü
Sıfırlama
Transistörü
Toplama
Kuyusu
20 m
Çıktı Kanalı (OD)
Çıktı Kaynağı (OS)
Çıktı Transistör Kapısı
Çıktı Düğümü
R
Sıfırlama Kanalı (RD)
Toplama Kuyusu (SW)
Seri Kayıt Birimi’ndeki son elektrotlar
Seri Kayıt Birimi Elektrotları
Bir Tektronix CCD’sinin yonga-üzeri yükselticisinin mikrofotoğrafı ve devre çizimi.
CCD’nin YapısıCCD’nin Yapısı

34. 34
CCD’lerin Tayfsal Duyarlıkları
Bir cisim zenitteyken bakıldığında,
atmosferin geçirgenliğini yandaki gibidir.
Atmosfer, tayfın yakın moröte
bölgesinde, 330 nmnin altı yöresinde
çok soğurucudur. Kusursuz bir CCD,
330 nmden yaklaşık olarak 1000 nmye
kadar iyi bir duyarlığa sahip olmalıdır.
CCD’lerin üretiminde kullanılan silikon
1000 nmde saydamdır ve bu nedenle
de duyarsızdır.
Dalgaboyu (Nanometre)
AtmosferGeçirgenliği
Geliştirme için geçen son 25 yıl içinde, CCD’lerin duyarlığı görsel bölge tayfı içinde
kalan hemen hemen tüm fotonların algılandığı noktaya kadar çok fazla ilerlemiştir.
CCD duyarlığı, iki temel yöntem kullanılarak arttırılmıştır : ‘inceltme’ (thinning) ve
yansıma-engelleyici kaplamaların (anti-reflection coating) kullanımı.
CCD’lerin Tayfsal Duyarlıkları

35. 35
CCD lerin kalbinde ışığa duyarlı metal oksit yarıiletken
kapasitörler bulunur. (MOS) Üç bileşenleri vardır:
 Metal elektrot ( kapı)
 Yalıtkan film (Silikondioksit)
 Silikon Taban

36. 36
 P-tipi kristal üzerine silikon dioksit kapladıktan
sonra metal elektrot yerleştirilmiştir. Basit bir hücre
(cell) yapısı elde ederilir.
 Metal elektroda pozitif bir gerilim
uygulandığında, p-tipi silikon altta bulunan
çoğunluk taşıyıcı holler, silikonun yüzey bölgesine
doğru itilir ve yüzey bölgesinde bir depletion
tabakası oluşur.
 Denge şartından dolayı, azınlık taşıyıcı
elektronlar ,elektrodun altında bulunan Si-SiO2
arayüzüne dolarlar. Bunun anlamı elektronlar için
Si-SiO2 arayüzünde bir potansiyel kuyusu
oluşmaktadır.

37. 37

38. 38
 Pikseldeki yükün anlamlı olması için bütünlüğünün
korunarak işlenme noktasına taşınması
gerekmektedir.
 Etkin ve hızlı bir yük transferi kadar hızlı bir işlem
mekanizması CCD’ler için kritik bir fonksiyondur.
Yönlendirici voltaj elektrot kapılar kullanılarak, yükler
bir kapasitörden diğerine aktarılır.
 Hücreler matris şekilde düzenlenilirse, her satırda olan
toplanmış yük sıra ile çıkış sütununa aktarılır sonrada
bu sütun tekrar kaydırılarak sıra ile okunur. Böylece
matris üzerinde olan her hücre adresleri ile birlikte
okunmuş olur.

39. 39

40. 40

41. 41
Ccd video

42. 42