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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

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fotodetectores
Instrumentação OptoelectrónicaFotodetectores

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
fotodetectores1
Instrumentação OptoelectrónicaFotodetectores

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

detectores propriedades
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - 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

detectores propriedades1
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - 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 (W·m-2)

Resposta total do detector:

detectores propriedades2
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - 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

detectores propriedades3
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - 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

detectores propriedades4
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - 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.

detectores propriedades5
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - Propriedades

Detectividade

A detectividade corresponde ao inverso da NEP

Como se verificou que em muitos casos a detectividade é directamente proporcional a (A·Df)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.

detectores
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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)

detectores1
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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.

detectores2
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 > 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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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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.

detectores4
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores5
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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.

detectores6
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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%

detectores7
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

fotod odos
Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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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Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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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Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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

fotod odos3
Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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

fotod odos4
Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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: Roproporcional 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 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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Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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

fotod odos6
Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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

(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

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Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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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Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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 >> 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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Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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

fotod odos10
Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

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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Instrumentação OptoelectrónicaFotodíodos

Semicondutores – Junção pn

http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/pnformation/pnformation.html

detectores8
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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.

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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:

detectores11
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 J∙s-1

detectores12
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores13
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores14
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotodíodos

A fotocorrente que atravessa o fotodetector é

com E o campo eléctrico no interior do fotodetector e mn a mobilidade dos electrões (cm2/V∙s)

detectores16
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotodíodos

Características eléctricas: Curva I - V

detectores17
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores18
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores19
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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/

detectores20
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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/

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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.)

detectores25
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores26
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores27
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotodíodos de avalanche – Resposta e Ruído

Relação sinal – ruído óptima: tipicamente cerca de 50 V abaixo da tensão de ruptura (breakdown)

detectores28
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores29
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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.

detectores30
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotomultiplicadores - Resposta Espectral

A resposta espectral de um PMT depende do tipo de fotocátodo presente.

com l em nanómetros

detectores31
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotomultiplicadores - Resposta Espectral

Fotocátodos semi-transparentes.

Modo Transmissão

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotomultiplicadores - Resposta Espectral

Fotocátodos opacos

Modo Reflexão

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotomultiplicadores - Ganho

Varia com a tensão aplicada à cadeia de dínodos

Depende também da configuração e do número de dínodos multiplicadores de carga

detectores34
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores35
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Fotomultiplicadores - Resposta Temporal

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores37
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

MCPs - Ganho

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

detectores38
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

MCPs - Ruído

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

detectores39
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

MCPs - Resposta Temporal

Resolução limite: 25 ps

detectores40
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Intensificador de imagem

Sistema constituído pelos seguintes componentes:

Janela de entrada

Fotocátodo

MCP

Ecrã de fósforo

Janela de saída

detectores41
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Intensificador de imagem

Resposta espectral e eficiência quântica

detectores42
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Intensificador de imagem

Emissão espectral e tempo de decaimento do ecrã de fósforo

detectores ccds
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - CCDs

O princípio de funcionamento do CCD – Charge Coupled Device

detectores ccds1
Instrumentação Optoelectrónica

Pixel

Registo de saída

(a)

(b)

para a amplificação de saída

Electrões

Eléctrodos

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.

detectores ccds2
Instrumentação Optoelectrónica

(c)

(d)

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

detectores ccds4
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores - CCDs

Binning

Maior sensibilidade

Menor ruído

Menor resolução espacial

detectores43
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

CCDs – Pontos fortes

  • Boa resolução espacial
  • Eficiência quântica muito elevada: ~ 80 % (400 nm - 1 mm)
  • Ruído muito baixo
  • Gama dinâmica elevada: profundidade de pixel ~ 106 e–, valor rms do ruído de leitura ~ 4 a 10 e–
  • Alta precisão fotométrica
  • Muito boa linearidade: << 0.1 %
  • Rigidez fiável: grelha de píxeis de formato fixo

CCDs – Pontos fracos

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”

detectores44
Instrumentação Optoelectrónica

15mm

625mm

Detectores

CCDs – Eficiência quântica e Resposta Espectral

Eficiência quântica elevada:

maior nos dispositivos back-iluminated do que nos front-illuminated

Resposta espectral extensa

detectores45
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

CCDs – Eficiência quântica e Resposta Espectral

Os CCDs muito finos exibem uma resposta espectral muito larga

detectores46
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores47
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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

detectores48
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 .

detectores49
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Especificações de uma câmara CCD

detectores50
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

Câmaras digitais científicas

Câmaras CCD

Câmaras EMCCD (Electron Multiplying CCD)

Câmaras CMOS

Câmara CCD Intensificadas

detectores51
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 )

detectores52
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 )

detectores53
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 )

detectores54
Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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.

frametransfer CCD

Imagens retiradas do catálogo Scientific Digital Camera Solutions da ANDORTM (Andor Technology, Belfast, UK )

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 )

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 )

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

CCD + Intensificador (ICCD)

a) b)

Imagem de um alvo de teste USAF 1951: a) CCD; b) ICCD

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 )

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Instrumentação OptoelectrónicaDetectores

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 )

caracteriza o de c maras ccd
Instrumentação OptoelectrónicaCaracterização 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

caracteriza o de c maras ccd1
Instrumentação OptoelectrónicaCaracterização 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

caracteriza o de c maras ccd2
Instrumentação OptoelectrónicaCaracterização 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

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

m todos de detec o
Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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

m todos de detec o1
Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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.

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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 )

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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.

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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:

O amplificador lock-in multiplica a saída da experiência pelo sinal de referência:

Da multiplicação resulta:

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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

Este sinal é proporcional à diferença de fase entre o sinal de referência e o sinal da experiência: detecção sensível à fase

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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:

m todos de detec o8
Instrumentação OptoelectrónicaMétodos de Detecção

Detecção “lock-in”

A saída do 2º mixer será:

Após filtragem

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos de Detecção

Detecção “lock-in”

Com a saída de ambos os mixers é possível determinar as seguintes quantidades:

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Instrumentação OptoelectrónicaMétodos 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

exemplo contagem e temporiza o de fot es
Instrumentação OptoelectrónicaExemplo: 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

exemplo contagem e temporiza o de fot es1
Instrumentação OptoelectrónicaExemplo: 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 ejectadosé

exemplo contagem e temporiza o de fot es2
Instrumentação OptoelectrónicaExemplo: 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:

exemplo contagem e temporiza o de fot es3
Instrumentação OptoelectrónicaExemplo: 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

podemos escrever

Se considerarmos

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.

exemplo contagem e temporiza o de fot es4
Instrumentação OptoelectrónicaExemplo: 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.