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Sensores Integrados em Silício IE012

Sensores RadiantesProfessor Fabiano Fruett

UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207

www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano

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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

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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

+= +

9

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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

26IE012

Memória seqüencial com CCD

Fonte: H. Taub and D. Schilling, Digital Integrated Electronics

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27IE012

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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29IE012

CCD de três fases

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1970 – Primeiro CCD8 Bit, Bell Labs

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32IE012

Exposição frontal e/ou traseira

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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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41IE012

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