Fotodetectores

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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

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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
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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
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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
Iph(l) fotocorrente de saída (A) Fl(l) fluxo
radiante incidente monocromático (W) El(l)
Irradiância espectral monocromática (Wm-2)
Resposta total do detector
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Detectores - Propriedades

• Eficiência quântica h(l)

número de acontecimentos de detecção que ocorre
por fotão absorvido pelo detector
Para detectores com saída em corrente
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
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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
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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).
com In o valor rms da corrente de ruído
rms root mean square valor eficaz
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.
8
Detectores - Propriedades

• Detectividade

A detectividade corresponde ao inverso da NEP
Como se verificou que em muitos casos a
detectividade é directamente proporcional a
(ADf)1/2, com A a área activa do detector,
definiu-se a detectividade normalizada ou
detectividade específica por
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.
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Detectores - Propriedades
Tipo de Ruído Detector Mecanismo Físico Corrente
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
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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 hn e uma
potência radiante F recebida no receptor, a taxa
de chegada de fotões é dada por
(fotões por segundo)
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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
Para escalas temporais tais que
(neste exemplo da ordem do nanossegundo) o
carácter discreto da taxa de chegada de electrões
e as suas flutuações seriam bem evidentes.
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Detectores

• Ruído Quântico

Se assumirmos estatística estacionária (i.e.
probabilidades constantes no tempo) a
probabilidade de receber um ou mais fotões no
intervalo Dt da ordem de grandeza de é
A probabilidade de não receber qualquer fotão será
Consideremos um intervalo de tempo t gt Dt. 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/Dt intervalos de tempo Dt
independente e calculando o produto entre as
probabilidades de nenhum fotão ser detectado em
cada intervalo Dt
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Detectores

• Ruído Quântico

A probabilidade de ocorrer apenas uma chegada no
tempo t obtém-se a partir da probabilidade de ter
uma chegada entre t e t dt e nenhuma chegada
quer antes quer depois. Para este cálculo é
necessário considerar todos os valores possíveis
de t no intervalo de tempo t.
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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 t, outro a chegar entre t e t dt e
nenhuma chegada depois, sendo igualmente
necessário considerar todos os valores t à medida
que t varia ao longo do tempo t.
Se continuarmos este processo obtemos a
probabilidade de chegarem exactamente n fotões no
intervalo de tempo t
Trata-se de uma distribuição de Poisson
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Detectores

• Ruído Quântico

Uma distribuição Poisson caracteriza-se por ter
uma variância igual ao valor esperado (ou seja
igual à média)
Logo, associada à detecção de n fotões num
intervalo de tempo t existe uma incerteza s
Esta incerteza corresponde a ruído o ruído
quântico ou ruído da radiação.
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Detectores

• Ruído

Ruído total devido a fontes de ruído não
correlacionadas soma quadrática das fontes de
ruído.
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
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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
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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
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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)
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
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Fotodíodos

• Semicondutores silício

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
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
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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 np 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
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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 nopo
Equilíbrio térmico significa Go Ro. Isto
implica nopo 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 nopo ni2 ni concentração
intrínseca de portadores de carga (Silício a 300
K 1 x 1010 cm-3)
criação de apenas um par electrão-lacuna por cada
1012 átomos
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
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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
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Fotodíodos

• Semicondutores Dopagem

Nd concentração de dadores (cm-3) se Nd ltlt ni
a dopagem é irrelevante semicondutor
intrínseco se Nd gtgt ni é a dopagem que controla
as concentrações de portadores de carga
(ni depende da temperatura não depende da
quantidade de impurezas adicionadas)
no gtgt 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
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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
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Fotodíodos

• Semicondutores Dopagem

Na concentração de aceitadores (cm-3) se Na ltlt
ni a dopagem é irrelevante semicondutor
intrínseco se Na gtgt ni a dopagem controla as
concentrações de portadores de carga
po gtgt 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
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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,
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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
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Fotodíodos

• Semicondutores Junção pn

http//www.acsu.buffalo.edu/wie/applet/pnformatio
n/pnformation.html
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Detectores

• Fotodíodos

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.
31
Detectores

• Fotodíodos

Consideremos que um semicondutor é iluminado com
fotões de energia hn superior à energia do
bandgap, Eg. O fluxo de fotões é F0 (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 Dx é
com a o coeficiente de absorção. A solução da
equação diferencial resulta na lei de absorção
exponencial característica
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Detectores

• Fotodíodos

Material Band gap (eV) Sensibilidade Espectral
Si 1.12 250 a 1100 nm
InGaAs 0.35 800 a 1800 nm
Ge 0.67 600 a 1600 nm
33
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 h 6.62 x 10-34 Js-1
34
Detectores

• Fotodíodos

Consultando o gráfico do slide 86 vemos que a 4
x 104 cm-1. Logo, a energia absorvida por
segundo é
A fracção da energia de cada fotão que é
convertida em calor é
Assim, a potência dissipada para a rede é 62
6.3 3.9 mW
35
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
com t o tempo de vida do portador de carga. A
taxa de recombinação vai ser
36
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
com F 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/a, tem-se
com h a eficiência quântica
37
Detectores

• Fotodíodos

A fotocorrente que atravessa o fotodetector é
com E o campo eléctrico no interior do
fotodetector e mn a mobilidade dos electrões
(cm2/Vs)
38
Detectores

• Fotodíodos

Características eléctricas Curva I - V
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Detectores

• Fotodíodos características eléctricas

Resistência de Shunt (Rsh) Corresponde ao
declive na origem da curva corrente - tensão.
Valor ideal 8 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
40
Detectores

• Fotodíodos Resposta e Ruído

Duas fontes principais de ruído Ruído Shot
flutuações estatísticas na fotocorrente e na
corrente no escuro Ruído Johnson Ruído
térmico associado à resistência de shunt
Valores típicos (NEP) 10-11 W/Hz1/2 a 10-15
W/Hz1/2
41
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/
42
Detectores

• Fotodíodos Polarização

Polarização directa modo fotovoltaico
Preferido para aplicações de baixo nível de sinal
e baixa frequência (lt 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/
43
Detectores

• Fotodíodos Data Sheet

44
Detectores

• Fotodíodos Data Sheet

45
Detectores

• Fotodíodos Data Sheet

46
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.)
47
Detectores

• Fotodíodos de avalanche características
  eléctricas

Equivalente eléctrico igual ao do fotodíodo
convencional
I corrente de saída do APD M - ganho do APD I0
fotocorrente primária (antes do ganho) Id
corrente no escuro
48
Detectores

• Fotodíodos de avalanche Resposta e Ruído

Duas fontes de ruído Ruído Shot flutuações
estatísticas na fotocorrente e na corrente no
escuro F factor que mede variações no
ganho Ruído Johnson Ruído térmico associado à
resistência de shunt
Valores típicos (NEP) 10-12 W/Hz1/2 a 10-15
W/Hz1/2
49
Detectores

• Fotodíodos de avalanche Resposta e Ruído

Relação sinal ruído óptima tipicamente cerca
de 50 V abaixo da tensão de ruptura (breakdown)
50
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
51
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.
52
Detectores

• Fotomultiplicadores - Resposta Espectral

A resposta espectral de um PMT depende do tipo de
fotocátodo presente.
com l em nanómetros
53
Detectores

• Fotomultiplicadores - Resposta Espectral

Fotocátodos semi-transparentes. Modo Transmissão
54
Detectores

• Fotomultiplicadores - Resposta Espectral

Fotocátodos opacos Modo Reflexão
55
Detectores

• Fotomultiplicadores - Ganho

Varia com a tensão aplicada à cadeia de
dínodos Depende também da configuração e do
número de dínodos multiplicadores de carga
56
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
Com m o ganho de corrente e Id a corrente no
escuro Valores típicos 10-15 a 10-16 W
57
Detectores

• Fotomultiplicadores - Resposta Temporal

58
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
59
Detectores

• MCPs - Ganho

Varia com a tensão aplicada ao prato de
microcanais e com o número de andares no
dispositivo
60
Detectores

• MCPs - Ruído

Corrente no escuro é baixa e varia com a tensão
aplicada ao prato de microcanais
61
Detectores

• MCPs - Resposta Temporal

Resolução limite 25 ps
62
Detectores

• Intensificador de imagem

Sistema constituído pelos seguintes
componentes Janela de entrada Fotocátodo MCP
Ecrã de fósforo Janela de saída
63
Detectores

• Intensificador de imagem

Resposta espectral e eficiência quântica
64
Detectores

• Intensificador de imagem

Emissão espectral e tempo de decaimento do ecrã
de fósforo
65
Detectores - CCDs

O princípio de funcionamento do CCD Charge
Coupled Device
66
Detectores - CCDs

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.
67
Detectores - CCDs
(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
68
Detectores - CCDs
69
Detectores - CCDs
Binning
Maior sensibilidade Menor ruído Menor resolução
espacial
70
Detectores
CCDs Pontos fortes

1. Boa resolução espacial
2. Eficiência quântica muito elevada 80 (400 nm
   - 1 mm)
3. Ruído muito baixo
4. 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 ltlt 0.1
7. Rigidez fiável grelha de píxeis de formato fixo

CCDs Pontos fracos

1. Ruído de leitura 4 a 10 e- rms
2. Leitura lenta 10 a 100 s
3. Saturação poços de potencial cheios e alcance
   limitado do ADC
4. Defeitos charge traps, hot pixels, black
   pixels

71
Detectores
CCDs Eficiência quântica e Resposta Espectral
Eficiência quântica elevada maior nos
dispositivos back-iluminated do que nos
front-illuminated Resposta espectral extensa
72
Detectores
CCDs Eficiência quântica e Resposta Espectral
Os CCDs muito finos exibem uma resposta espectral
muito larga
73
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
74
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
75
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 .

76
Detectores
Especificações de uma câmara CCD
77
Detectores
Câmaras digitais científicas
Câmaras CCD Câmaras EMCCD (Electron Multiplying
CCD) Câmaras CMOS Câmara CCD Intensificadas
78
Detectores
Câmaras digitais científicas
Estrutura típica de um sensor de imagem CMOS
Estrutura típica de um CCD
Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital
Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology,
Belfast, UK )
79
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 A tecnologia CCD está amadurecida. Está-se
perto dos limites em termos de eficiência de
detecção e redução de ruído de leitura e térmico
Estrutura típica de um CCD
Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital
Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology,
Belfast, UK )
80
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
Progressive scan readout
full frame CCD
Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital
Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology,
Belfast, UK )
81
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 )
82
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 )
83
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) 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.
Estrutura típica de um sensor de imagem CMOS
Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital
Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology,
Belfast, UK )
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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
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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)
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Detectores
CCD Intensificador (ICCD)
a) b)
Imagem de um alvo de teste USAF 1951 a) CCD b)
ICCD
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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)
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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.
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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.
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Caracterização de câmaras CCD
Relação sinal/ruído
Id é a diferença entre duas imagens adquiridas
com o mesmo tempo de exposição A média da
imagem diferença ( ) 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
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Caracterização de câmaras CCD
Relação sinal/ruído
A partir da relação
com G o ganho electrónico (nº de bits ou ADUs por
electrão)
podemos calcular a relação sinal/ruído ideal
(máxima)
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
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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.
O numerador relaciona os valores médios de duas
imagens adquiridas como mesmo tempo de exposição
uma imagem sem iluminação e uma imagem com
iluminação. F é o fluxo de fotões incidente no
CCD (nº de fotões por segundo) Ap é a área do
pixel h a eficiência quântica tw a transmitância
da janela da câmara F o filling factor (fracção
do pixel que é fotosensível) da câmara
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Mullikin, L.J. van Vliet, H. Netten, F.R.
Boddeke, G. van der Feltz and I.T. Young
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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
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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.
95
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/vHz largura de
banda 200 MHz ganho 1000 A saída será 1
mV de sinal 43 mV de ruído de banda larga ( 3
nV/vHz v200 MHz 1000 )
96
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/vHz v1 Hz 1000 ) A relação sinal-ruído
é 300.
97
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
98
Métodos de Detecção
Detecção lock-in
Consideremos que a frequência de referência é uma
onda sinusoidal com frequência ?R. Se esta
frequência foi usada para modular a experiência
então a resposta da experiência será um sinal
sinusoidal
O amplificador lock-in multiplica a saída da
experiência pelo sinal de referência
Da multiplicação resulta
99
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 2?R, que
corresponde a uma frequência mais alta e pode ser
retirado por filtragem.
Após o filtro passa-baixo temos
Este sinal é proporcional à diferença de fase
entre o sinal de referência e o sinal da
experiência detecção sensível à fase
100
Métodos de Detecção
Detecção lock-in
Para medir VI é necessário que a diferença de
fase qR-qI 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
101
Métodos de Detecção
Detecção lock-in
A saída do 2º mixer será
Após filtragem
102
Métodos de Detecção
Detecção lock-in
Com a saída de ambos os mixers é possível
determinar as seguintes quantidades
103
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
104
Exemplo Contagem e temporização de fotões
Tempo de vida de fluorescência cronometragem de
monofotão
Fonte de luz pulsada
Linha de atraso variável
Câmara de amostras
Filtro Espectral
Filtro espectral
STOP
Computador PC com Conversor Tempo-Digital
PMT (ou APD ou MCP)
START
105
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

atinge o fotocátodo do detector, durante o
intervalo de tempo ti - 1/2, ti  1/2,
correspondente ao canal i do histograma. Se ? for
a eficiência quântica do fotocátodo, o número
médio de fotoelectrões ejectados é
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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

Desta distribuição obtém-se

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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


Se considerarmos
podemos escrever
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.
108
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.