Lineares NMOS Photodiodenarray

Transkript

1 Lineares NMOS Photodiodenarray ν Photodioden: n-diffundierte Streifen im p-substrat Addressschalter: n-kanal MOS-FET; Source verbunden mit Photodiode, Gate mit digitalem Schieberegister und Drain mit der Videoleitung Im Strom-Mode wird bei Addressierung die betreffende Photodiode wieder in Sperrrichtung aufgeladen (rückgesetzt); der zeitlich integrierte Wiederaufladestrom beinhaltet die Photoladung.

2 Ersatzschaltbild der Videosignalerfassung, Sensorsättigung Wird jeder Photodiode eine (abgedeckte, benachbarte) Dummy-Photodiode zugeordnet und gleichzeitig addressiert, so ist die erfasste Differenz von Hellladung und Dunkelladung weitgehend frei vom DC-Anteil des Dunkelsignals! Sättigung: Wird die Photodiodensperrschichtkapazität C D auf eine Sperrspannung U S geladen, so ist die maximal auf ihr speicherbare Photoladung Q S = C D U S. Q S heißt Sättigungsladung. Z.B.: C D = 1 pf, U S = 2 V Q S = 2 pc = e Dynamik = Q S / Q N, Q N = rauschäquivalente Ladung 10 3 e für NMOS Photodiodenzeile Blooming: Wird eine Bestrahlung appliziert, so dass die Photoladung die Sättigungsladung überschreitet, kann die Photodiode nicht mehr vollständig speichern; der Überschuss fließt zu den benachbarten Photodioden. Es entsteht ein Übersprechen. Abhilfe: Anti-Blooming MOS- FET für jede Diode mit Source an Photodioden-Kathode, Gate an Masse, Drain an Ladespannung U S. Bei Überladung fließt Überschuss nach Drain ab!

3 Strom-Spannungswandlung bei Stromausgang Umsetzen des Wiederaufladestroms in eine proportionale Spannung Diode wird bei Addressierung in Sperrrichtung auf die Spannung V geladen Vorteile: Einfache Ausleseschaltung und hohe Ausleserate Nachteil: Üblicherweise wird der Peakwert der Ausgangsspannung und nicht die Fläche unter der Spannungs-Zeitkurve als Maß für die Bestrahlung genommen. Damit werden kleine Bestrahlungen unterbewertet.

4 Ladungsintegration bei Stromausgang Reset: Unmittelbar vor der Addressierung wird der Rückkoppel-Kondensator C f des Integrators entladen. Addressierung: Durch den Wiederaufladestrom wird C f auf eine Spannung geladen, die proportional der zuvor gespeicherten Photoladung ist: V out = Q / C f Vorteil: Auch kleinere Bestrahlung sind rauscharm messbar. Nachteil: Aufladezeit von C f bestimmt durch R DS,on C f. Daher beträgt die maximale Auslesefrequenz nur etwa 100 khz.

5 Photodiodenzeile mit Spannungsausgang U C Vid C D Linearer NMOS Bildsensor mit digitalem Schieberegister, Sourcefolger und Reset-MOS-FET integriert auf einem Chip liefert am Ausgang treppenförmige Spannung (boxcar), deren Stufen ein Maß für die von Qph den verschiedenen Photodioden generierten Photoladungen Q ph sind: U = V U = C D + C Vid Timing: Reset- und Addressschalter werden gleichzeitig geschlossen, um Photodioden-Sperrschichtkapazität und die Videokapazität auf die Spannung V aufzuladen. Nach Öffnen beider Schalter beginnt die Entladung der Sperrschichtkapazität durch den Photo- und Dunkelstrom. Mit dem Schließen des Addressschalters nach der Integrationszeit fließt Ladung von der Videokapazität in die Diodenkapazität, bis beide auf gleichem Potential U < V sind. k U wird über den Sourcefolger ausgegeben; k < 1.

6 CMOS-Photodiodenzeilen elektrooptische Eigenschaften Eigenschaften von RETICON CMOS-Arrays für spektroskopische Anwendungen

7 NMOS-Photodiodenzeilen - Übertragungseigenschaften Kennlinien von NMOS-Arrays mit Stromausgang und Stromintegration Spektrale Empfindlichkeiten von NMOS- Photodiodenzeilen mit Borosilikat- und Quarzglasfenster

8 NMOS-Photodiodenzeilen Ungleichmäßigkeit und Dunkelstrom Sättigung Herstellungsbedingte Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit verschiedener Dioden Dunkelladung als Funktion der Integrationszeit; Dunkelstrom verdoppelt sich alle 6 C

9 Spektrale Empfindlichkeiten von CCD-Bildsensoren Spektrale Empfindlichkeit eines typischen linearen CCD-Bildsensors Spektrale Antwort verschiedener Bildsensoren mit MOS-Kapazitäten als Sensorelemente: a) Vorderseitig bestrahlt; UV-Absorption durch isolierende Nitrid- oder SiO 2 -Schicht und vor allem durch die CCD-Gates aus Poly-Si b) und c) Rückseitig bestrahlt; geätzte Rückseite ist mit einer VIS- bzw. UV-Antireflexschicht bedeckt d) Rückseitig bestrahltes BCCD mit großer Verarmungstiefe

10 Rauschen von CCD-Bildsensoren Je kleiner die Pixelfläche bzw. bei gegebener Chipfläche je größer die örtliche Auflösung ist, desto kleiner wird die in der Expositionszeit gespeicherte Photoladung und damit der Signal-Rauschabstand sein!

11 ph d NEC noise equivalent charge NEC = I t / e d ph NEC = I t / e NEC = kt(c + C ) / e r D Vid 1 10 bei CCD 1000 bei MOS Schrotrauschen des Photostroms bzw. Dunkelstroms bedeutend nur bei sehr kleinen Bestrahlungen bzw. bei höheren Temperaturen über längere Integrationszeiten Rücksetzrauschen ktc-rauschen, bedingt durch die statistische Toleranz des Aufladens einer Kapazität C. Da CCD- (Dioden-)Ausgänge eine sehr viel kleinere Videokapazität C Vid als Videoleitungen von MOS-Bildsensoren haben, ist bei MOS-Bildsensoren das Rücksetzrauschen dominant. NEC C = 4kT B k g e Vid vid 0 m Videoverstärker-Eingangsrauschen von Bedeutung bei großer Eingangsbandbreite B und großer Videokapazität D 6 Q sat /e 10 bei CCD = NEC 10 bei MOS ph + NECd + NECr + NECvid Allerdings Q sat bei Photodiode um bis zu einem Faktor 100 größer als bei MOS-Bildelement!

12 Begrenzung des Rücksetzrauschen correlated-double sampling Ausgangssignal wird zweimal abgetastet, einmal beim Rücksetzen Speicherung auf C SH1 und dann beim Auslesen des eigentlichen Videosignals Speicherung auf C. SH2 Anschließend Subtraktion der beiden gespeicherten Signale voneinander.

13 CCD-Bildsensoren -Ausführungen Rückseitig beleuchtet, FT CCD mit 1260x1152 Pixel FFT CCD mit 3k x 2k Pixel, jedes 9 µm x 9 µm Low-cost FT mit Pixel HDTV IL-Sensor mit 2M Pixel FT CCD mit Pixel für Fernseh- Aufnahmen