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1IE012
Sensores Integrados em Silício IE012
Sensores RadiantesProfessor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
2IE012
Espectro eletromagnético
700 600 500 400
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Unidades radiométricas e fotométricas
Symbol (SI units)
Radiometric Fotometric Definition
Q Radiant energy [J] Luminous energy [Talbot] P, Φ Radiant power or flux [W] Luminous power or flux [lm] /dQ dTΦ = E Irradiance [W m-2] Illuminance [lm m-2] Power per unit area I Radiant intensit [W sr-1] Luminous intensity [lm sr-1] Power per unit solid
angle L Radiance [W m-2 sr-1] Luminance [lm m-2 sr-1] Radiant/luminous
intensity per unit projected area in a given direction
4IE012
Radiometria e fotometria
• Radiometria aplica-se a todos os comprimentos de onda do espectro eletromagnético
• Fotometria aplica-se apenas a porção do espectro visível
Curva de eficiência luminosa relativa
vermelho
laranja
amareloverde
azul
violeta
Vλ
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Ângulo sólidoSteradian (sr)
Fonte: http://www.schorsch.com/kbase/glossary/solid_angle.html
Intensidade radiante
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Reflexão, refração e retransmissão
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Refletância
A refletância da interface determina a quantidade da intensidade transmitida, que efetivamente penetra na mídia:
0 rI I I= −
0 (1 )I I= −ℜ
ℜ Transmitância do ar para a superfície do Si para diferentes espessuras da camada do óxido
(1 )−ℜ
Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002
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Absorção
A absorção de fótons refere-se a atenuação de sua energia por um processo de conversão para outras formas de energia. ( ) ( )I x I x xα∆ = − ∆
( ) ( )0 expI x I xα= −
Beer´s law
( ) ( ) ( )I x I x x I x∆ = + ∆ −
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Variação do coeficiente de absorção α com λ
Fonte: J. Wilson and J. Hawkes, Optoelectronics, Prentice Hall
Coeficiente de absorçãoα [m-1]
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Coeficiente de penetração no Si
Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002
1/α
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Intensidade radiante em função da profundidade no Si
( ) ( )0 expI x I xα= −
( )0
I xI
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Geração
phhcE hνλ
= = ph gE E> maxg
hcE
λ =
Bandgap Direto Bandgap indireto
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GeraçãoIrradiação monocromática E0 com λ<λmax
incidindo diretamente em uma superfície semicondutora, tem-se os portadores gerados:
( )( )0 1 expg iEr dhcλη α= − − [m-2 s-1]
d
eficiência quântica interna- Conversão térmica- Bandgap indireto
maxSi 40%GaAs 70%
iη
( )( )1 exp dα− −
iη
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Fotocondutor
Semicondutor bandgap [eV] Si 1.12 Luz visível CdS 2.42 Ultra violeta GaAs 1,43 Ge 0.67 Infra vermelho InSb 0.18
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Portadores fotogerados em diferentes regiões de uma estrutura p-n
Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002
Os portadores fotogeradospodem:– Recombinar imediatamente– Recombinar depois de
algum tempo– Separar imediatamente pela
ação de um campo elétrico
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Camada de depleção - junção pn
Junção pn sem polarização
Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002
Junção pn com polarização reversa
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02 Si A Dd
A D
N NWq N N
ε ε φ +=
2ln A D
i
N NkTq n
φ
=
( )12
02 Si A Dd b
A D
N NW Vq N Nε ε φ
+= +
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Camada de depleção - MOS
é o potencial na superfície do semicondutor
2d S
A
xqNε φ=
2 A SG S
OX
NV
Cε φ
φ= +
Sφ
Cria-se como um poço potencial, onde elétrons gerados fotonicamente serão armazenados eposteriormente transferidos. Este é o principio defuncionamento de um Charge-Couple-Device (CCD).
Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002
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Fotodiodo
Fonte: J. Wilson and J. Hawkes, Optoelectronics, Prentice Hall
( )( )1 exp dα− −
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Fotodiodo em modo fotocondutivo
( ) ( )1 1 di e αη η −= −ℜ −EAqi
hcλη λ
=
E é a irradiação luminosa incidenteA a área incidenteq a carga do portadorη a eficiência quântica total
o comprimento de onda da luz incidenteλ
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Detectores coloridos
• Modulação da camada de depleção
• Filtros coloridos
• Junções empilhadas
Ref: P. French and S. Middelhoek, Sensors, TUDelft
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Fotodiodo p-i-nPodem atingir eficiência quântica deaté 80%, no comprimento de ondade 0.8 até 0.9 um
Fonte: J. Wilson and J. Hawkes, Optoelectronics, Prentice Hall
1/λ
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Fototransistor
EAqihcλ
η λ=
( )( )1E co fei i i hλ= + +
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Fotodiodos em um processo CMOS poço n
Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002
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Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002
Fototransistores em um processo CMOS poço n
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CCD Charge-Coupled-Device
CCD é uma técnica empregada na implementação de registradores de deslocamento dinâmicos em circuitos integrados.
Fonte: H. Taub and D. Schilling, Digital integrated Electronics
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Memória seqüencial com CCD
Fonte: H. Taub and D. Schilling, Digital Integrated Electronics
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Funcionamento do CCD• Exposição, na qual a luz é convertida em carga em
lugares discretos chamados pixels– Normalmente cada pixel tem um comprimento que varia de
7um até 50um.– O material do gate de exposição deve transmitir com
eficiência o comprimento de onda da luz a ser detectada. Geralmente, metal não deve ser usado.
• Transferência de carga, na qual os “pacotes de carga” são movidos dentro do substrato
• Conversão carga para tensão e amplificação da saída
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Armazenamento e transferência de carga
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CMOS desafiam CCD
CMOS• + Prometem custo reduzido• + Processamento on-chip
Comparação “dark current”
CMOS CCD 50 até 200 pA/cm2 1 pA/cm2
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Comparação
Vantagens CCD• Maior eficiência quântica• Dissipação de potência
reduzida• Maior densidade (até 4
vezes que a CMOS convencional)
• Fabricação simplificada (15 máscaras)
Vantagens CMOS• Suporta várias
estruturas fotossensíveis
• Podem incorporar eletrônica periférica
• Tecnologia padrão industrial
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Técnicas para sensoriamento de imagem
• Point scanning– Detector unitário– Varredura bidirecional
• Line scanning– Varredura unidirecional
• Area scanning
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Full Frame (FF)
- Simplicidade- Maior densidade – maior resolução.- Necessita de shuttle.
Arquiteturas de CCDs para varredura de área
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Frame Transfer (FT)
- Operação contínua- Não necessita shuttles
- área: dobro- menor resolução- maior custo
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InterLine (IL)
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Eficiência da transferência de carga
A carga fotogerada é transferida várias vezes antes de ser detectada. A fração de carga que é transferida com sucesso é chamada de eficiência de transferência de carga.
Defeitos superficiais do substrato resultam em maior perda por transferência de carga. Uma forma de reduzir esta perda é a utilização de CCDs com canal enterrado ou buried-channel CCDs (BCCDs).
ctη
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Backside illuminated CCDs
• Maior sensibilidade• Redução da espessura
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Sobre exposiçãoAntiblooming
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Encapsulamento de sensores radiantes:
Janelas transparentes aos comprimentos de onda detectados são necessárias. Em certas aplicações uma lente é necessária. As propriedades óticas dos materiais devem ser mantidas durante toda a vida útil do sensor.
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Flip-Chip
• Elimina wire-bonding (reduz efeitos parasitas)
• Tamanho reduzido• Adequado para montagens híbridas (SiP)
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Exercícios1) Qual a intensidade radiante de fótons por steradian e por segundo de uma fonte de luz isotrópica e monocromática, com comprimento de onda λ=555nm, que tem potência radiante de 1W?
2)Considere uma irradiação monocromática passando através de uma mídia absorvedora homogênea. A variação da irradiação como função da distância percorrida é dada por:
Desenvolva a expressão de como a luz é absorvida pelo meio (lei de Beer)
( ) ( ) ( )I x I x x I x∆ = + ∆ −
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Exercícios3) Para a junção pn conforme figura, considere a transmitância entre o ar e a superfície do Si de 0,7 e eficiência quântica interna de 40%. Calcule a porcentagem de fótons irradiados que seráseparada pela camada de depleção para os seguintes casos:
a) Fonte monocromática de luz verde com λ=555nm e coeficiente de penetração (1/α)=1,6µm
b) Fonte monocromática de luz vermelha com λ=700nm e coeficiente de penetração (1/α)=4,8µm