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bersichtEinleitungSekundrelektronenvervielfacherPyroelektrischer DetektorPhotodiodeCCD- und CMOS-DetektorenEMCCD-DetektorStreak-KameraOptischer Korrelator

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Aufgabe von optischen DetektorenWandlung elektromagnetischer Strahlung (Photonen) in elektrische SignaleUnterscheidung nachPunkt oder Array-Detektoren (1D, 2D)ZeitauflsungQuanteneffizienz (wie viel % des einfallenden Lichts werden in elektrische Signale gewandelt)Sensitiver spektraler Bereich (UV, VIS, NIR, IR)DynamikZerstrschwelleRauschenDunkelstrom...Einleitung

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SekundrelektronenvervielfacherPrinzip Sekundrelektronenvervielfacher (SEV oder PMT: Photomultiplier)

Photon schlgt Photo-Elektron aus einem Kathodenmaterial (Metall), sofern Grenzfrequenz berschritten ist ( siehe photoelektrischer Effekt)Herausgeschlagene Elektronen werden auf eine erste Dynode beschleunigt, wo sie Sekundrelektronen herausschlagenDiese werden auf 2. Dynode beschleunigt usf.

Elektronenvervielfachung

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uerer Photoelektrische EffektLichtquant hn muss mindestens Energie zum Herauslsen von Elektronen aus dem Kathodenmaterial aufbringenDer Rest wird in kinetische Energie T berfhrt* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

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Prinzip SEVSEV

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Charakteristika

Hohe Empfindlichkeit und DynamikVerstrkungsfaktor bis ~106 Je nach Kathodenmaterial empfindlich in einem Bereich von UV bis NIRKurze Anstiegsflanken im Sub-ns-Bereich mglich, Verschmierung eines kurzen Pulses in der Zeit vorwiegend durch unterschiedliche Wege, die Photo-Elektronen von der Kathode bis zur ersten Dynode zurcklegenSEV

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Charakteristika (Fortsetzung)

Quanteneffizienz bei ~1 - 10% stark abhngig von Wellenlnge und Typ abhngigDunkelstrom wchst nach Richardson-Gleichung gem.

Dunkelstrom kann durch Khlen und kleine Kathodenflche minimiert werdenSEV

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Prinzip

Pyroelektrisches Material zwischen 2 Elektroden platziert, das Laserstrahlung absorbiert (Kondensator)Bei Temperaturnderung ndern sich im pyroelektrischen Material die dielektrischen EigenschaftenIst zwischen den Elektroden eine Spannung U angelegt, so ndert sich diese in Abhngigkeit der DielektrizittDiese Spannungsnderung wird verstrktPyroelektrische Detektoren sprechen auf zeitliche nderung an (Temperaturnderung Spannungsnderung)

Geeignet, um Energie von Laserpulsen zu messenPyroelektrischer Detektor

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Aufbau

e ndert sich bei BestrahlungPyroelektrischer Detektor

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Photodioden sind Halbleiterelemente, die bei Bestrahlung ihre

Leitfhigkeit ndern und damit als Photowiderstnde verwendet werden (Photoleiter) oder eine

Photospannung erzeugen und damit als lichtabhngige Spannungsquellen fungieren (Photovoltaische Detektoren)Photodiode

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Energiezustnde im Silizium (14Si)Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

Energieim Einzelatom3p4s

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Energiezustnde im Silizium (14Si)Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

Energieim Einzelatomim Kristall3p4sValenzbandLeitungsband

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Energiezustnde im Silizium (14Si)Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

Energieim Einzelatomim Kristall3p4sValenzbandLeitungsbandh

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Vereinfachte Darstellung, passives Element

Absorption eines Photons mit hn>EG hebt Elektron aus Valenz- ins LeitungsbandDadurch entsteht ein sog. Elektron-Loch-Paar, das die elektrische Leitfhigkeit erhht (und damit Ohmschen Widerstand vermindert) innerer photoelektrischer EffektAbsorption bei kleineren Frequenzen durch Dotierung der Halbleiter, die in der Bandenlcke sog. Donatoren-oder Akzeptoren-Zustnde schaffen Entstehung von Elektron-Loch Paaren schon bei geringeren Photonenenergien

Photoleiter

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Schaltung eines Photoleiters

Spannungsteiler, der Licht-abhngig arbeitetPhotoleiter ist passives Element, das uere Spannungsquelle bentigt

Photoleiter

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Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

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Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

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Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

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Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

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Photodiode* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

-+-+Raumladung

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Beim Anlegen einer ueren Spannung ndert sich Feldstrom I und es ergibt sich folgende typische Kennlinie (ohne Beleuchtung)

Wird nun zustzlich Licht eingestrahlt, entstehen in der Grenzschicht weitere Elektron-Loch-Paare, wobei Elektronen als Folge der Diffusionsspannung in den n-Bereich und Lcher in den p-Bereich wandernDie Raumladung ndert sich um den Betrag DV0 (Photospannung) an den offenen Enden des Halbleiters (siehe Bild oben bei I=0)Photovoltaischer Detektor

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-Die Photodiode+-I = 0+Potential [V]LngeDotierung:n Phosphorp BorLadungstrennung

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Werden die offenen Enden kurzgeschlossen, so fliet der Kurzschluss-Photonenstrom

Legt man uere Spannung U an, so wird Gesamtstrom allgemein gegeben durch (Kurvenverlauf vorheriger Grafik)

Bei offenem Schaltkreis wird I=0 und man erhlt LeerlaufspannungPhotovoltaischer Detektor

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Kennlinie: Spannungsnderung (bzw. Stromfluss) als Funktion der Beleuchtungsstrke

Linearitt prfen!Photovoltaischer Detektor

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CCD: charge coupled devicesCMOS: complimentary metal oxide semiconductor1D- oder 2D-Array-Detektoren, linear oder in einer Flche angeordnete Pixel Unterscheidung in front- bzw. backside illuminated CCDCCD- und CMOS-Detektoren

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CCD- und CMOS-DetektorenDie Photodiode Genereller Aufbau eines CCDCMOS-ArchitekturCCD vs. CMOSBildverstrkung

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Die Photodiode

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Die Photodiode

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Genereller Aufbau

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Belichtungp(-)p(+)++-++-----++++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)

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Blooming bersprechen auf Nachbarpixelp(-)p(+)++-++-----++++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)

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Ladungstransferp(-)p(+)++-++-----++++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)

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p(-)p(+)++-+++-+-+++++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)Ladungstransfer

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p(-)p(+)++-+++-+-+++++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)n(+)Ladungstransfer

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p(-)p(+)++-+/-+/-+-+-++/-+++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)n(+)Ladungstransfer

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p(-)p(+)++---+-+-+-+++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)n(+)Ladungstransfer

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Blooming bei zu steiler Flankep(-)p(+)++---+-+-+-+++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertPotential [V]Lngen(-)n(+)

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Ausleseelektronikp(-)p(+)-+++-+-+++++-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiert[V]Lngen(-)n(+)Potential [V]

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Der Feldeffekttransistorn(-)p(-)p(+)(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertn(+)n(+)IDID

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Der Feldeffekttransistor als Gleichstromquellen(-)p(-)p(+)(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertn(+)n(+)IDUDSUGS5UGS4UGS3UGS2UGS1GDSGleichstromquelleUGS = konst.UDS > UDS,krit. ID = konst.variabler WiderstandSGDIGS2IDID

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Der Feldeffekttransistor als Source Folgern(-)p(-)p(+)(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertn(+)n(+)IDUDSUGS5UGS4UGS3UGS2UGS1GDSSGDSource FolgerID = konst. UDS > UDS,krit.

UGS = konst.IGS2IDID

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Der Feldeffekttransistor als Schaltern(-)p(-)p(+)(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertn(+)n(+)SGDIDUDSUGS5UGS4UGS3UGS2UGS1GDSSchalterUGS = 0 ID = 0Schalter ist ausUGS = konst. ID ~ UDSSchalter ist anIDID

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AusleseelektronikFET1 sorgt als Gleich-stromquelle fr einen konstanten Strom von Erde nach VDD.

Je nach Menge der Ladungs-trger auf dem Abtastknoten, stellt sich in FET2 eine Spannung zwischen Abtast-knoten und VOUT ein, die die Spannung zwischen VDD und VOUT durch den vorgegebenen Strom steuert. VOUT kann dann gegen Erde abgetastet werden.

Durch Schalter FET3 knnen die Ladungen nach dem Auslesen von VOUT wieder abflieen.

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Verbesserung der QEp(-)p(+)-(-) schwach dotiert, (+) stark dotiertn(-)n(+)Quanteneffizienz @ 532nm ~50%

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Verbesserung der Quanteneffizienzp(-)p(+)-n(-)n(+)Quanteneffizienz @ 532nm ~95%

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Quanteneffizienz (QE)

Quanteneffizienzen verschiedener state-of-the-art frontside illuminated CCDs

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Verbesserung der QE-QE verschiedener backside illuminated CCDs (Bezeichnung in Grafik BU und BV)

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Einfacher Linearsensorp(-)p(+)n(-)n(+)transparente gatesabgeschirmte gatessense nodeAluminiumH1H2H3TXAnsicht von oben1 Pixel(3-phasig)

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Full Frame CCDH1H2H3TXV1V3V2p(+) Sperrschicht1 Pixel(3-phasig)

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Frame Transfer CCDH1H2H3TXV1V3V2V1upV3upV2up

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Jedes Pixel wird in Abhngigkeit der lokalen Bestrahlung elektrisch geladen (Ladung Q)Pro Pixel gibt es eine maximale Kapazitt, die vor allem von den Abmessungen des Pixels abhngen (typische Werte 20x20 m)Diese maximale Kapazitt wird als linear full well bezeichnet, typische Werte liegen zwischen 50.000 und 800.000 e- Auf jedem Pixel existiert auch Rauschen, vor allem Ausleserauschen und sog. PhotonenrauschenDieses Rauschen limitiert den echten dynamischen Bereich i.d.R. unter die bei der Digitalisierung eingesetzte Dynamik (bis zu 16 bit)Bemerkungen zur Dynamik

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BeispielLinear full well 200.000 e- maximales SignalAusleserauschen 10 e - rms (Photonenrauschen wird an dieser Stelle der Einfachheit halber nicht bercksichtigt, auerdem sei Dunkelstrom auch vernachlssigbar dies gilt vor allem bei kurzen Belichtungszeiten und gekhltem CCD) minimales SignalEchte Dynamik = maximales Signal/minimales SignalBemerkungen zur Dynamik

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Bemerkungen zum Signal-Rausch-Verhltnis (SNR)Rauschen berechnet sich aus Anteil Dunkelstrom, Ausleserauschen und Photonen(Signal)rauschen

Bei kurzen Belichtungszeiten ist Rauschen des Dunkelstroms vernachlssigbarBei hohen Signalen ist Ausleserauschen auch vernachlssigbar, dann gilt mit Zahl der Ladungstrger N (proportional zu Photonenzahl) auf einem bestimmten Pixel

Fr Signal gilt SNR:Bei geringen Signalintensitten spielt aber immer auch das Ausleserauschen eine RolleSignal-Rausch Verhltnis (SNR)

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CMOSSchematischer Aufbau eines CMOS Pixel

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CMOSAufbau eines CMOS PixelTransistoren auf dem Pixel reduzieren den

Mikrolinsen werden genutzt, um das einfallende Licht auf die photosensitive Zone zu lenken

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CMOSVDDVBIASVREFRSTXVDDVBIASVREFRSTXVDDVBIASVREFRSTXVDDVREFRSTXVDDVREFRSTXVDDVREFRSTXMulti- plexerVOUTROW selectROW selectCOLUMN select

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CCD vs. CMOS+ CMOSeinstellbarer aktiver Bereichschnelles paralleles Auslesen- CMOSRumliche Inhomogenitten wegen Fertigungstoleranzen in einzelnen Pixeln Offset Nichtlineare Kennlinie

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CCD vs. CMOS

CCDCMOSPixel-homogenitt sehr gut ein AusgangsverstrkerMittelmig ein Verstrker pro PixelSignal-Rausch-VerhltnisGut ohne KhlungSehr gut mit KhlungMittelmig Viel Elektronik auf kleinem Raum (thermische Einflsse)Geschwindig-keitLangsamalle Ladungen werden zu einem Ausgangsverstrker geschoben (~ 10 Hz)Sehr schnell Auswertungselektronik auf jedem Pixel (~ 600 kHz)Arbeitspunkt-einstellungHhere Arbeitspannung,grerer RegelbedarfKonstant, niedrige Arbeitsspannungber alle BetriebsbereicheFensterungBegrenzt mglichEinfach realisierbarBloomingjanein

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BildverstrkungPrinzip der Restlichtverstrkung

MCP arbeitet nach dem Prinzip der Sekundrelektronenvervielfachung

Photo-kathodeKamera-chipMess-objekthPhosphorh

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Ende 1.12.11* | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | *

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Teils Alternative zu intensivierten SystemenBesonderheitLadungsverstrkung findet nicht in einem MCP vor der CCD/CMOS statt, sondern zwischen Verschieberegister und Vorverstrker in einem speziellen VerstrkungsregisterEMCCD (electron multiplying CCD)

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Im Verstrkungsregister (bestehend aus den Elektroden R1, R2, R3, s. Bild nchste Folie) knnen sehr groe Potentialdifferenzen im Unterschied zu normalen Schieberegistern erzeugt werden, die keine so hohe Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden aufweisen

Wird ein Elektron in einen tiefen Potentialtopf verschoben kommt es zu dem sog. Avalanche-Effekt ( impact ionization) und damit zur Erzeugung neuer Elektronen

Verstrkungsfaktor liegt pro Pixel-bergang bei ca. 1,015, ist also gering

Daher wird der Prozess hufig wiederholt (~ mehrere 100 mal), um groe Verstrkungsfaktoren von bis zu 1000 zu erhaltenEMCCD

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Veranschaulichung des Avalanche-Effektes im Verstrkungsregister

Typische QuanteneffizienzVerschiebenVerstrkenEMCCD

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Vorteile

Whrend ICCD in Folge zu hoher Strahlungsbelastung relativ leicht zerstrt werden kann, kann dies bei EMCCD nicht passieren

Bei Kleinsignalen kann bei konstantem Ausleserauschen die Ladungsmenge verstrkt werden und damit das Signal-Rausch-Verhltnis verbessert werdenEMCCD

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Gert zur Messung kurzer LichtpulsePrinzipskizze

Kurzer Lichtimpuls fllt auf Photokathode und erzeugt dort kurzen Photoelektronenimpuls

Die Photoelektronen werden durch hohes elektrisches Feld in z-Richtung beschleunigtAn Ablenkelektroden wird ein zeitlich variables Feld in y-Richtung angelegtStreak-Kamera

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Elektronen treffen auf dem Leuchtschirm (Phosphor) an unterschiedlichen Positionen in y-Richtung in Abhngigkeit der zeitlich variierten Ablenkspannung aufDie rumliche Verteilung der Elektronen spiegelt daher den zeitlichen Verlauf der Intensitt des Lichtpulses widerElektronen werden mittels Phosphor zu Licht (Lichtschirm) gewandelt und entweder direkt mit einer CCD beobachtet (nicht im Bild nicht) oder vorab mittels MCP verstrkt und dann mit CCD nachgewiesen

Streak-Kamera

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Prinzipdarstellung des zeitlichen Streaks:

Typische DatenAblenkgeschwindigkeiten werden ber die Ablenkspannung eingestellt, reichen von 1cm/100ps bis 1cm/10 nsEs ergeben sich maximale Zeitauflsungen von ~0,5psPhotoelektronenpulsStreak-Kamera

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Beispiel der Fa. Hamamatsu

Streak-Kamera

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Alternative Methode zur Messung kurzer Lichtpulse durch optischen KorrelatorPrinzip

Korrelationsmessung

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Lichtimpuls wird mit Strahlteiler in 2 Teilimpulse I1 und I2 aufgeteilt, die unterschiedliche optische Wege durchlaufenDie Teilpulse werden in einem zweiten Strahlteiler SP wieder vereinigtDie Gesamtintensitt wird unter Bercksichtigung des Wegunterschieds Dx, der langsam variiert wird, zu

Bei gleicher Intensitt der Teilwellen giltKorrelationsmessung

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Werden die wieder vereinigten Teilwellen nun durch einen nicht-linear wirkenden Kristall (z.B. zur Frequenzverdopplung) gesendet, gilt fr das Signal S am Detektor (der frequenzverdoppeltes Licht detektiert)Unabhngig von tKann man wegfilternabhngig von tEnthlt Information ber PulsformKorrelationsmessung

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Untergrundsfreie Messung der Korrelationsfunktion

Nur 2. Harmonische (= frequenzverdoppeltes Licht) passiert die Blende vor dem Detektor, konstanter Untergrund wird ausgeblendetKorrelationsmessung

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Zusammenhang Auto-Korrelationspuls und Lnge des Lichtpulses Hngt von Pulsform abSei Lichtpuls Gau-frmig in der Zeitdimension, dann gilt fr das Verhltnis der Breiten von Auto-Korrelationsprofil (Dt) zu Lichtimpuls (DT) Korrelationsmessung

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