Wyklad XI

1
Wyklad XI

• CCD

2
1 Detektor CCD.
Uran - pierwszy obiekt sfotografowany przy pomocy
CCD w r. 1975. (61 calowy teleskop w górach
Santa Catalina w poblizu Tucson - Arizona).
Zdjecie zrobione zostalo przy 0.89mm. Ciemny
obszar absorpcja przez chmury metanu w poblizu
bieguna poludniowego planety.
Obecnie amator z kamera CCD i 15 cm teleskopem
moze zebrac tyle samo swiatla, co w r. 1960
astronom wyposazony w plytke swiatloczula i 1 m
teleskop.
aparaty cyfrowe kamery VIDEO
spektroskopia
mikrofotografia astrofizyka
inne
3
CCD, Charge-coupled Device urzadzenie na
ladunku zwiazanym
foton
powierzchnia fotoczula piksel
kondensator
Fotony uwalniaja elektrony z powierzchni
fotoczulej. Kondensatory laduja sie ladunkiem
proporcjonalnym do ilosci padajacego swiatla
4
Zasada dzialania CCD
5 kroków
1. oswietlic CCD
3. zgromadzic nosniki
4. przetransportowac nosniki
5
Krok 1 i 2. Efekt fotoelektryczny.
Elektrony generowane termicznie sa
nierozróznialne od tych generowanych
swiatlem.Stad potrzeba chlodzenia CCD. 1.12eV
odpowiada dlugosci fali 1mm. Si jest
przezroczysty dla fal dluzszych.
6
Krok 3. Zgromadzic nosniki
MOS
7
Tranzystor polowy MOS
Zubozenie
Akumulacja
Inwersja
8
2DEG w krzemowym MOSFET
S zródlo, D dren, VG napiecie bramki
(kontroluje koncentracje elektronów)
Prad zródlo - dren zaczyna plynac dopiero gdy
wytworzy sie warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS gt
VT
?500 Å
9
Tranzystor MOSFET
ID
Prad zródlo - dren zaczyna plynac dopiero gdy
wytworzy sie warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS gt
VT
zero gdy VGS lt VT
VDS
10
MOS Akumulacja
Krok 3. Zgromadzic nosniki
11
MOS Zubozenie
Krok 3. Zgromadzic nosniki
12
MOS Inversja
Krok 3. Zgromadzic nosniki
13
Krok4. Przetransportowac nosniki

• Analog CCD pomiar intensywnosci
• opadów deszczu
• Padajacy deszcz (fotony) zbiera sie we wiadrach
  (piksele) ustawionych na przenosnikach tasmowych
  (plaszczyzna ogniskowa teleskopu).
• - Przenosniki sa nieruchome, padajacy deszcz
  (ekspozycja swiatla) napelnia wiadra.
• Deszcz przestaje padac (migawka kamery zamyka
  sie) i przenosniki tasmowe zostaja uruchomione.
• Wiadra transportuja wode do zbiornika
  (wzmacniacz) ustawionego w rogu pola ( róg CCD).

14
Analog CCD
Krok4. Przetransportowac nosniki
WERTYKALNY przenosnik tasmowy (kolumny CCD)
DESZCZ(fotony)
WIADRA (piksele)
ZBIORNIK (Wzmacniacz wyjsciowy)
HORYZONTALNY przenosnik tasmowy (Rejestrator
wyjsciowy)
15
Analog CCD
Deszcz ustal wiadra zawieraja próbki deszczu.
16
Analog CCD
Przenosniki tasmowe zostaja uruchomione. Woda z
wiader umieszczonych na wertykalnych
przenosnikach jest przelewana do wiader
znajdujacych sie na horyzontalnym przenosniku.
17
Analog CCD
Wertykalne przenosniki zatrzymuja sie. Rozpoczyna
sie ruch horyzontalnego przenosnika. Woda
przelewa sie do zbiornika.
18
Analog CCD

19
Analog CCD
20
Analog CCD
21
Analog CCD
22
Analog CCD
23
Analog CCD
24
(No Transcript)
25
Analog CCD
Nowy zestaw pustych wiader jest ustawiany na
horyzontalnym przenosniku i proces powtarza sie.
26
Analog CCD
27
Analog CCD
28
Analog CCD
29
Analog CCD
30
Analog CCD
31
Analog CCD
32
Analog CCD
33
Analog CCD
34
Analog CCD
35
Analog CCD
36
Analog CCD
37
Analog CCD
38
Analog CCD
39
Analog CCD
40
Analog CCD
41
Analog CCD
42
Analog CCD
Wszystkie wiadra zostaly opróznione. ( CCD
zostalo odczytane).
43
Krok4. Przetransportowac nosniki

Piksel
rejestrator wyjsciowy
(a)
(b)
do wzmacniacza
Elektrody
Elektrony
Rozwazmy CCD zlozony z 9 pikseli, rejestratora
wyjsciowego i wzmacniacza. Kazdy piksel jest
podzielony na 3 obszary (elektrody wytwarzajace
odpowiednia studnie potencjalu). Co trzecia
elektroda jest na tym samym potencjale. (a)
Podczas oswietlania centralna elektroda (zólte
pola) jest na wyzszym potencjale niz pozostale
(zielone pola) ladunek gromadzi sie w studni
potencjalu. (b) Po ekspozycji swietlnej potencjal
elektrod ulega zmianie i ladunki sa przenoszone
z jednej elektrody na druga.
44
Krok4. Przetransportowac nosniki

• Poprzez synchroniczna zmiane potencjalu elektrod
  elektrony sa przenoszone z
• piksela do piksela. Ladunki z prawej sa
  prowadzone do wyjsciowego rejestratora.
• (b) Horyzontalny transfer ladunków jest
  wylaczany. Pakiety ladunków z rejestratora
  wyjsciowego sa przenoszone wertykalnie, jeden za
  drugim do wzmacniacza wyjsciowego i odczytywane
  jeden za drugim. Cykl rozpoczyna sie ponownie po
  odczytaniu wszystkich ladunków ( czas odczytu dla
  duzego CCD ok. 1 min).

45
Krok4. Przetransportowac nosniki
Ruch ladunku jest zwiazany CCD
46
Zasada dzialania CCD
p-Si
p-Si
Ruch ladunku jest zwiazany
47
animacja
http//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66
/CCD_charge_transfer_animation.gif
48
Krok4. Przetransportowac nosniki
Metalowa, ceramiczna lub plastikowa obudowa
plaszczyzna obrazowa
piny polaczen zlote druciki
kontakty krzemowy chip
wzmacniacz
Rejestrator wyjsciowy
49
Struktura CCD
CCDs sa wykonywane na kawalkach krzemu za pomoca
techniki fotolitografii. 3 CCD Philipsa na 6
calowym kawalku Si.
Don Groom LBNL
50
Struktura CCD
Fragment ( kilka pikseli) powierzchni obrazowej
CCD.

kanaly stopujace SiBe
widok z góry
przezroczyste elektrody
jeden piksel
Elektroda tlenek Si typu n Si typu p
przekrój poprzeczny
Kazda co trzecia elektroda sa polaczone ze soba.
51
Struktura CCD

Obszar obrazowy
wzmacniacz (na chipie)
Rejestrator wyjsciowy
Przekrój przez rejestrator
52
Krok 5. Wzmocnic.
Mikrofotografia fragmentu CCD
160mm
53
Detektor CCD wydajnosc kwantowa
54
Detektor CCD liniowosc
55
Detektor CCD
Mozaika 4 CCD (kwadrat 6cm x 6 cm), z których
kazda zawiera 2040 x 2048 pikseli. Razem ok.16
millionów pikseli (Kitt Peak National
Observatory, Arizona).
56
Detekcja kolorów przy pomocy CCD
maska Bayera
Odpowiednie piksele CCD mierza ilosc swiatla
czerwonego, zielonego i niebieskiego padajacego
na powierzchnie
Zawsze sa dwa zielone piksele, poniewaz oko jest
bardziej czule na ten kolor.