February 15, 2017 Michael Richer 1
CCDs: características
• elementos de la materia condensada
• construcción
• funcionamiento
• propiedades
• referencias:
– Howell, S. B. 2000, Handbook of CCD Astronomy (Cambridge University
Press: Cambridge, UK), cap. 2 y 3
– Rieke, G. 2003, Detection of Light (Cambridge University Press: Cambridge,
UK), sec. 6.3
– notas preparados por Leonel Gutiérrez y José Alberto López
– Presentaciones de Simon Tulloch: Partes 1, 2 y 3 (ver página web)
– El artículo de Burke et al. 2006, en Scientific Detectors for Astronomy 2005,
J.E. Beletic et al. (eds.), Springer, the Netherlands, 225-264 en
http://www.astrosen.unam.mx/~richer/docencia/tecnicas/
technology_ccd_burkeetal05.pdf
El rango espectral de los CCDs
• El uso de los CCDs es más común en el visible, pero
sirven como detectores desde rayos X hasta 1.1 µm.
February 15, 2017 Michael Richer 3
CCDs: materia condensada
• El silicio es un material semiconductor.
• Normalmente, no tiene electrones libres en la banda de conducción (de
más alta energía), sino ligados a los átomos en la banda de valencia.
• La absorción de fotones en el efecto fotoeléctrico ioniza átomos de silicio y
promueve electrones de la banda de valencia a la banda de conducción.
Este proceso deja un “hoyo” positivamente cargado en la banda de
valencia.
La estructura energética en materiales
aislantes y semiconductores es similar,
pero la separación de las bandas es
mucho menor en semiconductores.
Hole Electron
conducción valencia Rieke (2003)
presentación Simon Tulloch
http://www.ing.iac.es/~eng/detectors/CCD_Info/Activity_1.ppt
February 15, 2017 Michael Richer 4
CCDs: materia condensada
• Para facilitar la manipulación
de los electrones generados
por el efecto fotoeléctrico, los
semiconductores están
usualmente contaminados por
átomos de otros elementos
que tienen más electrones que
el silicio (donan electrones:
tipo
n
egativo) o tienen menos
electrones que el silicio (donan
hoyos: tipo
p
ositivo).
• La contaminación no afecta la
separación de las bandas de
valencia y conducción, si es
pequeña.
February 15, 2017 Michael Richer 5
CCDs: concepto básico
• Un CCD es esencialmente una maya de colectores de fotones hecha de silicio. • Los elementos del CCD, píxeles,
convierten fotones a electrones a través el efecto fotoeléctrico.
• Los píxeles están expuestos a la luz durante la integración y se transfiere y se lee cada píxel cuando acaba la
exposición.
• Durante la lectura se transfiere la carga de cada renglón de píxeles al renglón anterior y se transfiere la carga del primer renglón al “registro de lectura”. • Se lee el registro de lectura con un
amplificador que normalmente es parte intrínseca del CCD mismo.
• Se envía la señal del amplificador a otros amplificadores externos y entonces se digitaliza por un convertidor análogo-digital (ADC) en una computadora dedicada (controlador) donde se compone la imagen y se transfiere a otra computadora para su manipulación.
gráfica: Howell (2000)
RAIN (PHOTONS) BUCKETS (PIXELS) VERTICAL CONVEYOR BELTS (CCD COLUMNS) HORIZONTAL CONVEYOR BELT(
SERIAL REGISTER)
MEASURING CYLINDER (OUTPUT AMPLIFIER)CCD Analogy
2/15/17 Michael Richer 7
February 15, 2017 Michael Richer 8
CCDs: concepto básico
• El diagrama ilustra la
transferencia y manejo de la señal
en la imagen a su destino final.
• Se transfiere la carga de las
columnas al registro de lectura.
• El amplificador de salida lee el
registro de lectura y emite un
voltaje (señal análoga).
• El convertidor análogo-digital
convierte esta señal análoga a
números enteros.
• Interviene más electrónica para
transmitir la imagen a la
computadora de adquisición y/o
análisis.
columnas del CCD convertidor análogo-digital electrónica controlador computadoras de adquisición y análisisgráfica: modificado de Rieke (2003) registro de lectura
February 15, 2017 Michael Richer 9
Fabricación
• Los CCDs se fabrican como cualquier circuito integrado
grande, generalmente por procesos de fotolitográfia
(deposición de capas opacas a cierta radiación y la
erosión del material no cubierto por radiación o procesos
químicos).
• El silicio tiene un índice de refracción alto (n=3.6, vidrio:
n=1.5). Como consecuencia, el silicio es también
altamente reflejante (32% de los fotones incidentes,
vidrio: 3.5%).
• Para disminuir esta pérdida de fotones, los CCDs son
normalmente cubiertos por capas antireflejantes. Estas
capas son hechas de material dieléctrico transparentes
con índices de refracción entre los del silicio y del aire
(n≈1). Obviamente, se puede diseñar estas capas para
optimizar la detección de un intervalo espectral
especificado (y frecuentemente limitado).
CCDs: construcción (1)
Un píxel consiste de
• un sustrato de silicio,
usualmente del tipo-n más
cercano a los electrodos (tipo-p
más alejado).
• una capa de SiO
2que funciona
como insulador
• contactos electrónicos para
inmovilizar y manipular los
electrones
• El sustrato de silicio y la capa de
SiO
2son lo más uniformes
posible.
Entre los columnas de pixeles, hay
“channel stops”, material
aislante que separa una
columna de otra.
CCDs: construcción (1)
• A lo largo de las columnas, la estructura es continua.
• Hay barreras físicas entre una columna y otra. El uso de
contaminación tipo “p” mantiene la carga dentro de la columna.
• El uso de contaminación tipo “n” mantiene la carga alejada de la
interfaz entre el silicio propio y la capa de SiO
2, donde hay defectos
que podrían captar la carga.
2/15/17 Michael Richer 11
Vista a lo largo de una columna
Vista perpendicular a las columnas.
de Burke et al. 2006
columna 1 columna 2 columna 3
Structure of a CCD 3.
One pixel
Channel stops to define the columns of the image
Transparent horizontal electrodes to define the pixels vertically. Also used to transfer the charge during readout
Plan View
Cross section
The diagram shows a small section (a few pixels) of the image area of a CCD. This pattern is reapeated.
Electrode Insulating oxide n-type silicon p-type silicon Every third electrode is connected together. Bus wires running down the edge of the chip make the connection. The channel stops are formed from high concentrations of Boron in the silicon.
presentación Simon Tulloch
Structure of a CCD 4.
On-chip amplifier at end of the serial register
Cross section of
serial register
Image Area
Serial Register
Once again every third electrode is in the serial register connected together.
presentación Simon Tulloch
http://www.ing.iac.es/~eng/detectors/CCD_Info/Activity_1.ppt
Below the image area (the area containing the horizontal electrodes) is the ‘Serial
register’ . This also consists of a group of small surface electrodes. There are three
electrodes for every column of the image area.
CCDs: funcionamiento
• Se aplica un voltaje al contacto
electrónico.
• La absorción de fotones genera
pares de electrón-hoyo.
• Los electrones generados en el
píxel se acumulan en la “zona de
agotamiento” subyacente al
contacto electrónico mientras que
los hoyos se difundan hacia la
dirección opuesta.
• Si los fotones son absorbidos
fuera de la zona de agotamiento,
donde existe el campo eléctrico, el
electrón-hoyo par recombinará y
no se detectará el fotón.
pi xe l bo un da ry Charge packet p-type silicon n-type silicon
SiO2 Insulating layer Electrode Structure pi xe l bo un da ry in co mi ng ph ot on s
Charge Collection in a CCD.
Photons entering the CCD create electron-hole pairs. The electrons are then attracted towards the most positive potential in the device where they create ‘charge packets’. Each packet corresponds to one pixel
presentación Simon Tulloch
http://www.ing.iac.es/~eng/detectors/CCD_Info/Activity_1.ppt
February 15, 2017 Michael Richer 16
CCDs: funcionamiento
•
En la práctica, el “contacto” electrónico
de cada píxel consiste en al menos
dos contactos electrónicos, y
frecuentemente son tres o más.
•
Durante una exposición, los voltajes
de estos contactos se mantienen fijos.
•
Al término de una exposición, se
manipulan los voltajes de los
contactos de todos los píxeles de
manera coordinada para mover la
carga de un píxel a otro.
•
Cabe señalar que la estructura de
píxeles se debe a la estructura de los
contactos electrónicos. El sustrato
de silicio es lo mas homogéneo
posible.
•
El cambio de voltajes puede ionizar
átomos de silicio si el cambio es
demasiado brusco (indeseable). Si
sucede, los electrones generados se
conocen como “carga espuria”.
2/15/17 Michael Richer 17
CCDs: construcción (2)
•
En los diseños más sencillos, el volumen del píxel donde acumulan los electrones en
el CCD está en la superficie del sustrato de silicio (canal de superficie).
•
Se puede construir los CCDs evitando que este volumen esté en la superficie del
sustrato de silicio (canal sumergido).
•
La gran mayoría de las imperfecciones en el cristal de silicio se encuentran en la
superficie y disminuyen la eficiencia de la transferencia de carga.
•
Se puede tomar varias medidas para vivir con estas imperfecciones, pero la que
mejor evita la introducción de ruido adicional es la sumersión del canal donde
acumulan los electrones.
gráficas:
Rieke (2003)
Electric Field in a CCD 1.
The n-type layer contains an excess of electrons that diffuse into the p-layer. The p-layer contains an excess of holes that diffuse into the n-layer. This structure is identical to that of a diode junction. The diffusion creates a charge imbalance and induces an internal electric field. The electric potential reaches a maximum just inside the n-layer, and it is here that any photo-generated electrons will collect. All science CCDs have this junction structure, known as a ‘Buried Channel’. It has the advantage of keeping the photo-electrons confined away from the surface of the CCD where they could become trapped. It also reduces the amount of thermally generated noise (dark current).
n p El ect ric po te nt ia l
Potential along this line shown in graph above. El ect ric po te nt ia l
Cross section through the thickness of the CCD
presentación Simon Tulloch
http://www.ing.iac.es/~eng/detectors/CCD_Info/Activity_1.ppt
Electric Field in a CCD 2.
During integration of the image, one of the electrodes in each pixel is held at a positive potential. This further increases the potential in the silicon below that electrode and it is here that the photoelectrons are accumulated. The neighboring electrodes, with their lower potentials, act as potential barriers that define the vertical boundaries of the pixel. The horizontal boundaries are defined by the channel stops. n p El ect ric po te nt ia l Region of maximum potential
presentación Simon Tulloch
February 15, 2017 Michael Richer 21
Optimización: azul, rojo, ¿todo?
• El grosor requerido para la
absorción eficiente de fotones de
distintas longitudes de onda varía
fuertemente: varios nm a
λ<4000A, pero decenas de µm a
λ>8000A.
• Esta diferencia implica que los
electrones generados por
fotones de distintas longitudes
de onda se generan a
profundidades distintas dentro
de cada píxel.
• Por eso, es fácil encontrar CCDs
optimizados para el “rojo” o “azul”,
pero es difícil optimizar ambos
intervalos espectrales.
• El silicio tiene un potencial
fotoeléctrico de 1.14 eV, lo que
representa la energía mínima para
la detección de luz, lo que
equivale a fotones con λ<1.1µm.
gráfica: Howell (2003)
Optimización: azul, rojo, ¿todo?
• Se pueden iluminar los CCDs desde su lado frontal (donde
están los contactos electrónicos) o el lado dorsal.
• Iluminación frontal:
– Fabricación fácil, como cualquier circuito integrado
– Eficiencia pobre en el azul (los contactos absorben los fotones)
• Iluminación dorsal: (normalmente, CCDs adelgazados)
– La fabricación es más complicada, particularmente si se
adelgaza el detector.
– Mejor eficiencia en el azul, si se puede manejar la carga
– Si se adelgaza para mejorar la eficiencia en el azul, se vuelven
transparentes a fotones rojos…
– Si se adelgaza, hay mayor probabilidad de interferencia de luz
por reflexiones internas dentro del detector…
Optimización: azul, rojo, ¿todo?
• Se puede iluminar el CCD
desde su lado frontal (donde
están los contactos, arriba) o
desde el lado dorsal (abajo).
• Iluminado desde el lado
frontal, hay poca sensibilidad
a la luz azul/violeta porque es
absorbida por los contactos.
• Iluminado desde atrás, puede
que la luz azul sea absorbida
en la zona de campo eléctrico
débil (y que no se detecta de
nuevo).
• En ambos casos, si el
detector no es lo
suficientemente grueso, hay
poco sensibilidad a la luz más
roja.
2/15/17 Michael Richer 23
de Burke et al. (2006)
Thick Front-side Illuminated CCD
These are cheap to produceusing conventional wafer fabrication techniques. They are used in consumer imaging applications. Even though not all the photons are detected, these devices are still more sensitive than photographic film.
They have a low Quantum Efficiency due to the reflection and absorption of light in the surface electrodes. Very poor blue response. The electrode structure prevents the use of an Anti-reflective coating that would otherwise boost performance.
The amateur astronomer on a limited budget might consider using thick CCDs. For
professional observatories, the economies of running a large facility demand that the detectors be as sensitive as possible; thick front-side illuminated chips are seldom if ever used.
n-type silicon
p-type silicon
Silicon dioxide insulating layer
Polysilicon electrodes
In co mi ng p ho to ns625µm
presentación Simon Tulloch
Thinned Back-side Illuminated CCD
The silicon is chemically etched and polished down to a thickness of about 15microns. Light enters from the rear and so the electrodes do not obstruct the photons. The QE can approach 100% . These are very expensive to produce since the thinning is a non-standard process that reduces the chip yield. These thinned CCDs become transparent to near infra-red light and the red response is poor. Response can be boosted by the application of an anti-reflective coating on the thinned rear-side. These coatings do not work so well for thick CCDs due to the surface bumps created by the surface electrodes.
Almost all Astronomical CCDs are Thinned and Backside Illuminated.
n-type silicon
p-type silicon
Silicon dioxide insulating layer
Polysilicon electrodes
In co mi ng p ho to nsAnti-reflective (AR) coating
15µm
presentación Simon Tulloch
http://www.ing.iac.es/~eng/detectors/CCD_Info/Activity_2.ppt
Deep depletion: ¿solución?
• El problema de CCDs adelgazados es que son
parcialmente transparentes a la luz roja.
• Se soluciona con un CCD más grueso, pero
entonces es necesario llevar los fotoelectrones
producidos por luz azul y roja al mismo lugar en el
detector.
• Se puede lograr si se puede lograr un campo
eléctrico fuerte a través el detector, pero sin
perder el canal sumergido.
• La manera de lograrlo es utilizando silicio de “alta
resistividad”, que implica muy poca contaminación
por impurezas.
El ect ric po te nt ia l
Potential along this line shown in graph above.
El ect ric po te nt ia l
Cross section through a thick frontside illuminated CCD
Deep Depletion CCDs 1.
The electric field structure in a CCD defines to a large degree its Quantum Efficiency (QE). Consider first a thick frontside illuminated CCD, which has a poor QE.
In this region the electric potential gradient is fairly low i.e. the electric field is low.
Any photo-electrons created in the region of low electric field stand a much higher chance of recombination and loss. There is only a weak external field to sweep apart the photo-electron and the hole it leaves behind.
presentación Simon Tulloch
http://www.ing.iac.es/~eng/detectors/CCD_Info/Activity_3.ppt El ect ric po te nt ia l El ect ric po te nt ia l
Cross section through a thinned CCD
Deep Depletion CCDs 2.
In a thinned CCD , the field free region is simply etched away.
There is now a high electric field throughout the full depth of the CCD.
Photo-electrons created anywhere throughout the depth of the device will now be detected. Thinning is normally essential with backside illuminated CCDs if good blue response is required. Most blue photo-electrons are created within a few nanometers of the surface and if this region is field free,there will be no blue response.
This volume is etched away during manufacture
Problem : Thinned CCDs may have good blue response but they become transparent at longer wavelengths; the red response suffers.
Red photons can now pass right through the CCD.
presentación Simon Tulloch
El ect ric po te nt ia l El ect ric po te nt ia l
Cross section through a Deep Depletion CCD
Deep Depletion CCDs 3.
Ideally we require all the benefits of a thinned CCD plus an improved red response. The solution is to use a CCD with an intermediate thickness of about 40µm constructed from Hi-Resistivity silicon. The increased thickness makes the device opaque to red photons. The use of Hi-Resistivity silicon means that there are no field free regions despite the greater thickness.
There is now a high electric field throughout the full depth of the CCD. CCDs manufactured in this way are known as Deep depletion CCDs. The name implies that the region of high electric field, also known as the ‘depletion zone’ extends deeply into the device
Red photons are now absorbed in the thicker bulk of the device.
Problem :
Hi resistivity silicon contains much lower impurity levels than normal. Very few wafer fabrication factories commonly use this material and deep depletion CCDs have to be designed and made to order.
presentación Simon Tulloch
http://www.ing.iac.es/~eng/detectors/CCD_Info/Activity_3.ppt
Silicio “high rho”/“fully depleted”
CCDs
• Se puede aumentar aun
más la resistividad del silicio
para mejorar el desempeño
en las longitudes de onda
más rojas con “high rho
silicon”.
• Esto permite eficiencias
cuánticas cercanas a 100%
hasta 9000Å.
• Dado que esto usualmente
implica aumentar el grosor
del CCD, su desempeño en
el violeta, sobretodo, se ve
afectado.
El campo eléctrico y la imagen
• Si el campo eléctrico no es
fuerte donde se absorben los
fotones, estos pueden
difundirse antes de acumularse
en un pixel.
• De sucederse, esto aumentará
el tamaño de la imagen,
degradando las prestaciones
del detector.
• El problema puede presentarse
tanto para luz azul como roja,
pero es más común en el azul.
• Notar que la orientación del
campo eléctrico es opuesta en
los dos diagramas (fuerte arriba
en el de arriba, fuerte abajo en
el de abajo).
2/15/17 Michael Richer 31
Burke et al. (2006)
February 15, 2017 Michael Richer 32
Saturación, Derrama de carga
• Un problema común con CCDs
(o cualquier detector) es la
saturación de píxeles por
fuentes brillantes.
• Se puede construir los CCDs
de tal manera que se impida
este comportamiento,
instalando mas contactos
electrónicos en cada píxel
(“anti-blooming”).
• La desventaja de este proceso
es que los contactos toman
espacio en el píxel, lo que
disminuye su área efectivo y
su eficiencia para la detección
de fotones.
Derrama de carga
• Se puede limitar la derrama de carga con una
construcción adecuada de las barreras entre
columnas.
2/15/17 Michael Richer 33