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CCDs: características. El rango espectral de los CCDs

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(1)

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.

(2)

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.

(3)

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

(4)

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 análisis

gráfica: modificado de Rieke (2003) registro de lectura

(5)

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

2

que funciona

como insulador

•  contactos electrónicos para

inmovilizar y manipular los

electrones

•  El sustrato de silicio y la capa de

SiO

2

son lo más uniformes

posible.

Entre los columnas de pixeles, hay

“channel stops”, material

aislante que separa una

columna de otra.

(6)

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

(7)

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.

(8)

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”.

(9)

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)

(10)

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

(11)

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…

(12)

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 ns

625µm

presentación Simon Tulloch

(13)

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 ns

Anti-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.

(14)

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

(15)

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.

(16)

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.

(17)

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

de Burke et al. (2006)

Arquitectura

• 

La arquitectura de lectura más común

para CCDs es la donde todos los píxeles

están expuestas a la luz (como en el

dibujo de cubetas inicial).

• 

Existen también arquitecturas donde la

mitad de los píxeles están ocultadas y se

usan como área de almacenamiento

mientras se lee el CCD.

• 

Estas arquitecturas se usan para

instrumentos especializados,

particularmente para observaciones con

alta resolución temporal.

• 

Estas arquitecturas tienen su interés

porque la transferencia de la imagen

dentro del CCD se puede hacer muy

rápidamente y sin costo de ruido.

• 

El concepto de almacenamiento se ha

revivido en la práctica en el esquema de

observación “nod and shuffle”, para la

sustracción muy precisa del fondo.

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