Sensor de imagem baseado em estruturas µc-si:h P-I-N

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1 Sesor de iage baseado e estruturas µc-si:h P-I-N J. Martis, F. Sousa, M. Ferades, P. Louro, A. Maçarico e M. Vieira ISEL, Departaeto da Egeharia da Electróica e das Couicações Rua Coselheiro Eídio Navarro, Lisboa, Portugal. Tel: / Fax / E-ail: joao.artis@isel.pt RESUMO O presete trabalho trata o projecto e aálise de u sesor de iage baseado e aterial icrocristalio de silício aorfo hidrogeado (µc-si:h). O eleeto sesor é u fotodíodo de estrutura TCO/ µc-p-i- Si:H co dois cotactos etálicos frotais e u cotacto trasparete posterior. A iage é obtida através de u processo de varrieto e digitalização. Estuda-se o efeito da geoetria dos cotactos frotais as características de saída do sesor. Utilizado cotactos e fora de L, obté-se ua iage bidiesioal, se distorção sigificativa, co gaa diâica de 32 db e relação sial-ruído de 37 db. Apreseta-se u odelo siplificado do sesor, reflectido as propriedades físicas do eleeto sesor e o coportaeto do trasdutor, e propõe-se algoritos básicos de processaeto de iage. INTRODUÇÃO O processo de aquisição de iage baseia-se a geração de ua atriz de pixels. Os seus copoetes pricipais são: a irradiação da cea, o apeaeto óptico sobre a área sesível do sesor e a coversão para sial digital da distribuição do brilho. Nas publicações [1, 2, 3] é aalisado o efeito de redução da barreira de carga espacial detro da região iluiada, quado ua jução seicodutora é iluiada localete. Sob iluiação local estacioária, o padrão de carga gerado odula a barreira da jução. As barreiras de potecial baixas estão associadas a regiões iluiadas e as barreiras de potecial altas a regiões escuras. E trabalho aterior [4, ] foi desevolvida ua classe de sesores optoelectróicos, baseados este efeito, para o recohecieto de u padrão de luz projectado sobre u díodo de estrutura p-i-. A vatage destes dispositivos quado coparados co os charge-coupled devices (CCD) é a siplicidade do processo de produção. O aterial utilizado foi o µc-si:h. Cotudo, poder-se-á optar por outros ateriais para respostas espectrais específicas. Neste trabalho é proposta ua etodologia para aquisição, represetação e restauração de iage utilizado u trasdutor de µc-si:h. A iage é adquirida por u processo de varrieto (sca-out) e represeta a atriz bidiesioal de valores discretos gerados por aostrage regular da fototesão. Utiliza-se técicas de processaeto para redução do ruído e realce dos detalhes e aalisa-se a resolução do sesor, a liearidade e a distorção geoétrica. Apreseta-se u odelo físico para o trasdutor suportado por ua siulação de circuitos electróicos. CONSTRUÇÃO DO TRANSDUTOR E ACTIVAÇÃO O trasdutor bidiesioal projectado e produzido baseia-se e aterial µc-si:h. O bloco básico costituite do sesor é u fotodíodo µc-p-i- Si:H co dois cotactos etálicos frotais e u cotacto trasparete posterior. Os substratos são de vidro cobertos co película trasparete de ZO e todas as caadas o trasdutor icrocristalio fora depositadas pelo processo de fase vapor e câara fechada CC-CVD (closed-chaber cheical vapour depositio) [6]. A espessura da caada itríseca é de 1,4 µ equato que as caadas dopadas + e p + tê espessuras de Å e 3 Å, respectivaete. Neste estudo, fora evaporados o topo do trasdutor quatro cotactos coplaares ortogoais de aluíio (rectâgulo: 6x2 2 ). Cada cojuto de cotactos opostos pode ser utilizado a geoetria paralela. A geoetria do tipo L é obtida através do curto-circuito etre dois vizihos. Utilizado ua lâpada de tugstéio-halogéeo (4 Wc -2 ) foi edida a tesão de circuito-aberto de,4 V e a correte de curto-circuito de Ac -2. O dispositivo foi caracterizado espectralete através da edição da fotocorrete a bada de 3 a 1. A resposta espectral estede-se para alé de e te u áxio perto de 7 [7]. A jução µc-p-i- Si:H actua coo eleeto sesor. Os dois cotactos coplaares frotais e o cotacto posterior são utilizados coo iterface eléctrica. A iage é projectada sobre a superfície fotosesível, utilizado coo fote de luz u laser He-Ne (633 ; 2,2 W;,63 ). A iage é defiida usado u cojuto de letes e ua áscara. U feixe de prova (scaer) odulado e de baixa potêcia varre o dispositivo. Várias edições a coordeada y são obtidas por varrietos regulares a direcção x. A leitura das cargas fotogeradas é coseguida por edição siultâea de abas as fototesões os eléctrodos coplaares.

2 V (a.u.) MODELOS FÍSICO E ELÉCTRICO Devido à elevada fracção de tecido cristalio (>8%), à diesão dos grãos ( a 3 ), e ao crescieto e fora cóica dos cristais, é cocebível que ua rede de fotodíodos cristalios p-i-, ebebidos u tecido aorfo, possa ser ecotrada o iterior do sesor [8]. Assi, odeláos a jução sob iluiação local através de u circuito ão liear bidiesioal []. A Fig. 1 apreseta o odelo eléctrico para o eleeto sesor e o circuito equivalete correspodete. baixas) flúe a direcção trasversal. Os portadores gerados fora do padrão (barreiras de potecial altas, variação abrupt deriva e direcção aos eléctrodos coplaares, dado orige a ua fotocorrete lateral adicioal que depede da localização e itesidade do padrão. O recohecieto de iages baseia-se a extesão dessa aálise às duas diesões.,e-4,e-4 V T2,j p i i ph Scaer D Iage 1/r d ~ I ph R Lat -L x j x A x B L V T1,j 4,E-4 4,E-4 3,E-4 3,E-4 2,E-4 2,E-4 1,E-4,E-,E S3 S1 S7 S S9 y positio (a.u.) x positio (a.u.) Fig. 1. Esboço do ( odelo eléctrico 2D e do ( circuito de siulação para o trasdutor p-i-. O sesor é represetado por ua atriz de fotodíodos iterligados através de resistêcias série, R Lat, que odela a resistêcia superficial da caada dopada (Fig. 1. Cada fotodíodo é odelado por ua fote de correte ão liear e ua resistêcia cotrolada (r d ), proporcioal à fotocorrete (I ph ). O scaer é represetado por ua fote de correte ac, i ph, ligada o ó jth, a posição do scaer. A Fig. 1b apreseta ua fracção do circuito que faz parte da estrutura ão plaar usada para siulação. Na Fig. 2a apreseta-se os resultados de siulação e a Fig. 2b, para coparação, as distribuições experietais da fototesão u trasdutor de x 2, sob a iluiação local de ua padrão de luz de 1,x3, 2, utilizado cotactos rectagulares ua geoetria paralela. Os resultados de siulação estão de acordo co os observados experietalete. Abas as distribuições ostra u tedêcia seelhate detro e fora do padrão. Detecta-se duas regiões pricipais: ua, fora do padrão, ode a fototesão decresce rapidaete de ua fora abrupta e liear; outra, o iterior, ode a fototesão peraece praticaete costate e atige o seu valor íio. Durate cada varrieto, os portadores gerados pelos fotões absorvidos o padrão (barreiras de potecial V (a.u.),8,3,48,43,38,33,28,23 S28,,13 S19,8,3 S S x positio (a. u.) y positio (a.u.) Fig.2. Distribuições de potecial trasverso sob iluiação local: ( siulação e ( valores experietais. RESULTADOS E DISCUSSÃO Geoetria dos Cotactos Verifica-se que a geoetria dos cotactos ifluecia a distribuição de potecial o iterior do trasdutor. A Fig. 3 apreseta as distribuições siuladas (Fig. 3 e as experietais (Fig. 3 da fototesão, utilizado geoetria de cotactos diferetes (paralela e e L). O rectâgulo braco o cetro represeta a iage real e os cotactos correspode às regiões escuras represetadas as arges.

3 Paralela (2x6 2 ) Paralela (6x2 2 ) Tipo L (6x6 2 ) Fig. 3. Distribuições equipoteciais: ( siuladas e ( experietais, utilizado geoetrias diferetes. Os resultados obtidos (por siulação e experietais) ostra que a área, a fora e a posição dos cotactos tê u papel iportate a distorção da iage. Utilizado geoetria paralela as curvas de potecial são copriidas a direcção perpedicular aos cotactos equato que a geoetria e L a distorção diiui (costatou-se ua redução de %). Assi, para a correcta represetação e restauração da iage é ecessário corrigir a distorção devida à geoetria dos cotactos, tedo e cota a fora e posição relativa destes. Represetação da Iage O sial de etrada para a represetação da iage é ua atriz rectagular (8x7) de valores discretos (V ) gerados por aostrage regular da fototesão trasversa (Fig. 2. A represetação da iage foi efectuada através dos passos idicados a Fig. 4. A iage é adquirida (Fig.4 e ela é defiida ua sub-iage, Fig. 4b, a região de iteresse (ROI - Regio Of Iterest) ode o efeito dos cotactos e desprezável. Ua vez que a razão etre as itesidades do padrão e do scaer é elevada; a atriz sub-iage de saída, V' a Fig. 4b, te bo cotraste etre o objecto (valores baixos V' ) e o fudo (valores altos V' ). A localização do cotoro, atribuída a saltos de ívelcizeto, pode ser defiida coo o poto de descida ais abrupta das lihas equipoteciais iterpoladas. Na Fig. 4c a distribuição de potecial exibe os dois odos característicos referidos ateriorete (Fig. 2) co u poto de iflexão be defiido que deliita a zoa de iage. Este liiar (threshold) é utilizado a biarização: os valores iferiores ao liiar estão associados ao objecto, os valores superiores correspode ao fudo. A Fig. 4d represeta o resultado obtido por biarização. Para ua razão de 2% etre as itesidades do scaer e do padrão, obteve-se ua resolução de µ, uicaete liitada pelo úero de valores aostrados. A resolução depede da itesidade da iage e tora-se cada vez ais iportate quado a largura do objecto e a itesidade decresce []. Este efeito é atribuído à razão acrescida da resistêcia lateral face à trasversa (sob iluiação local) que pode ser utilizada coo edida da correcção e precisão do sesor. Coo se pode verificar a Fig. 4d, a correcção a localização de cotoros é aior co cotactos rectagulares e depede do valor iposto para liiar. Adicioalete, a posição de u cotoro depede da itesidade da irradiação; se u liiar fixo é utilizado, u cuidado especial deve ser toado o valor de liiar iposto.

4 Cotactos Rectagulares (Geoetria Paralel Cotactos e L x(,) x(,) c) -4-6 d) 8 8 Fig. 4. Efeito da geoetria dos cotactos. Potecial trasverso sob iluiação local; Região de iteresse (ROI); c) Superfície ivertida da ROI; d) Iage biária.

5 Detectou-se u erro de % a localização do cotoro quado a itesidade foi reduzida de %. Assi, ua leitura correcta evolve u coproisso etre a largura e a itesidade do padrão. A resposta diferecial apreseta ua ão liearidade de % quado a itesidade do padrão de luz é reduzido de %. A sesibilidade aior foi alcaçada co cotactos do tipo L. A resposta diferecial ostra tabé u aueto de % de liearidade e ua diiuição de 3% de distorção de iage quado a fora dos cotactos uda de rectagular para tipo L. Quado utilizados cotactos frotais co geoetria L, a iage adquirida te, aproxiadaete, ua gaa diâica de 32 db e relação sial-ruído de 37 db. experietais e os de siulação o que valida este procedieto para detecção de particularidades e iages coplexas [9]. Restauração da Iage Na detecção de padrões que iclue o seu iterior zoas ão iluiadas (particularidades) fora utilizados algoritos que tê e cota os desvios da atriz V face a u padrão (teplate). Projectara-se sucessivaete dois padrões, u círculo uifore de raio 4 e dois seicírculos do eso diâetro as separados de 1,. A Fig. iclui o resultado da biarização efectuada sobre os dois padrões, utilizado apeas u valor de threshold. Os resultados ostra que a represetação da iage biária do círculo ão apreseta distorção sigificativa. Cotudo, para os dois seicírculos o hiato ão é idetificado e o cotoro da iage é copriido a sua direcção. Fig. 6. Iage oralizada Y ao teplate. Fig. 7. Resultado da trasforação para recuperação da iage dos dois seicírculos Fig.. Represetação da iage biária para o círculo ( e para os dois seicírculos (. Por fora a recuperar o hiato a atriz de distribuição das fototesões e ecotrar a sua área, oralizáos a iage dos dois seicírculos V THC ao teplate V C, utilizado a trasforação co a expressão THC C Y = V V, calculada poto a poto. A Fig. 6 apreseta o resultado desta trasforação. Para obter a iage dos dois seicírculos procedeu-se à subtracção C da iage oralizada Y pelo teplate V,. O resultado é apresetado a Fig. 7. A Fig. 8 apreseta os resultados equivaletes obtidos através de siulação. Verifica-se cocordâcia etre os resultados Fig. 8. Resultados da siulação para a iage oralizada ( e para a iage recuperada (.

6 CONCLUSÕES Neste trabalho foi descrito e aalisado u sesor de iage TCO/µc-p-i- Si:H/Al. Propõe-se etodologias para aquisição e técicas de processaeto, de baixo ível, para iiização do ruído e eriquecieto da iage. Os resultados obtidos ostra que a biarização da iage é isuficiete para idetificação de objectos. Itroduze-se algoritos de correcção, levado e cota a geoetria dos cotactos e a hoogeeidade da área sesível. Perspectiva-se o aueto da resolução (utilizado passos ais pequeos de varrieto) e o refiaeto dos algoritos de processaeto para elhoria das iages adquiridas. REFERÊNCIAS [1] J. Torkel, Wallark, Proc. IRE 43 (196) 474. [2] I. Che, J. Appl. Phys. 64 (1988). [3] M. Vieira, Appl. Phys. Lett. 7 (1997) 2. [4] A. Maçarico, M. Ferades, J. Martis e M. Vieira, Mat. Res. Soc. Syp. Proc. (S. Fracisco, USA, 1998), 8, -. [] M. Vieira, A. Maçarico, E. Morgado, e R. Schwarz, J. of No-Crystallie Solids 7 (1998) [6] S. Koyov, R. Schwarz, T. Fischer, S. Greber, e H. Mueder, Jp. J. Appl. Phys. 33 (1994) 434. [7] M. Vieira, A. Fatoi, M. Ferades, A. Maçarico, J. Martis, P. Louro e R. Schwarz, Mat. Res. Soc. Syp. Proc. (S. Fracisco, USA, 1999). [8] M. Vieira, A. Fatoi, S. Koyov, e R. Schwarz, Thi Solid Fils 296 (1997) 4. [9] F. Sousa, J. Martis, M. Ferades, A. Maçarico, R. Schwarz, e M. Vieira, aceite para publicação e J. of No-Crystallie Solids (1999).