Active-Pixel Sensor (APS)

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1 Projetode Circuitos Integrados IE325 Sensor de Pixel Ativo Prof. Fabiano Fruett UNICAMP FEEC - DSIF Sala Active-Pixel Sensor (APS) Circuito Integrado contendo um arrayde pixels (sensores radiantes) ou Focal Plane Array(FPA) Cada pixel contém, além do fotodetector, um circuito eletrônico (amplificador) CMOS APS estão se tornando extremamente comuns em câmeras de telefones celulares e computadores Os APSssugiram como uma alternativa aos Charge-Coupled Devices(CCSs) 1 APS vs. CCD APSssurgiu como uma alternativa aos sensores CCDsque eram padrão para imagem digital APSscombinam sensor e eletrônica em um mesmo chip APSssão mais baratos que os CCDs Consumo de potências e escalonamento também são favoráveis aos APSs 1970 Primeiro CCD 8 Bit, Bell Labs 4 1

2 CMOS APS Década de 70 5 Fonte: Etapas de processo de conversão de energia entre os domínios radiante e elétrico em um semicondutor Luz incide na superfície do semicondutor A Luz é transmitida passando pela cobertura e sendo absorvida pelo silício Fótons absorvidos geram pares elétron-lacuna Excesso de carga é gerado Carga é convertida em um sinal elétrico Geração radiante em um semicondutor Energia do fóton: hc Eph = hν = λ h é a constante de Planck ca velocidade da luz no vácuo λé o comprimento de onda do fóton v é a frequência do fóton hc λ hc = < E λ a) Eph = > Eg b) Eph g 2

3 Espectro Eletromagnético s em um processo CMOS poço n Fonte: D.W. de Lima Monteiro, CMOS-based integrated wavefront sensor, Ph.D. Thesis TU Delft, 2002 Característica I-V de uma junção pn Modelo Eletrônico do fotodiodo I P D C D R sh I P é a corrente fotogerada R sh é a resistência paralela C D é a capacitância de depleção do diodo em condição de polarização reversa Fonte: 3

4 Pixel Passivo Pixel ativo circuito conceitual V sel Coluna de saída V rst T1 V out I bias Fonte: G. P. Weckler. Operation of p-n junction photodetectors in a photon flux integration mode. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-2, 65 73, D. W. de Lima Monteiro. CMOS Integrated Wavefront Sensor. DUP Science, 2002 Pixel ativo Realizações Pixel V reset T1 T2 linha coluna Transistor de Reset (T1) Seguidor de fonte (T2) Seletor de linha (T3) APS em tecnologia NMOS porta metálica do CCS-UNICAMP Projeto: Simulação: T3 V pol T4 V out A fonte de corrente T4 não faz parte do pixel Fonte: P. Noble. Self-scanned image detector arrays. IEEE Trans. Electron Devices, 15, F. S. Campos. Sistemas de Imagem CMOS com Alta Responsividade e Elevada Faixa Dinâmica. Tese de Doutorado, FEEC, UNICAMP (2008). 4

5 Layout do APS 200 µm Seção transversal do NMOS: Layout do FPA 2 2 Resultados experimentais fabricação do APS Corrente de escuro: Resultados experimentais Fotocorrente: 5

6 Transistor NMOS porta metálica APS APS corrente de escuro Referências Bibliográficas André Santos de Oliveira Furtado, Dissertação de Mestrado, Fabricação e Caracterização de Sensor de Pixel Ativo com Tecnologia NMOS de Porta Metálica, Unicamp, FEEC, dezembro 2009 J. Wilson and J. Hawkes, Optoelectronics, Prentice Hall, ISBN X S. Middelhoek, S. A. AudetandP. J. French, "Silicon Sensors", Delf UniversityofTechnology,

7 FIM 7