Introduction aux détecteurs CCD

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Introduction aux détecteurs CCD. Claire Juramy. SIM-détecteurs 2014. Tour d’horizon. Principe de fonctionnement Développement des détecteurs CCD pour l’astronomie, l’astrophysique et la cosmologie Réalisations et projets Détecteurs CCD pour d’autres applications Questions d’actualité. - PowerPoint PPT Presentation

Text of Introduction aux détecteurs CCD

Caractrisation des CCD

Introduction aux dtecteurs CCDClaire JuramySIM-dtecteurs 2014

1Tour dhorizonPrincipe de fonctionnementDveloppement des dtecteurs CCD pour lastronomie, lastrophysique et la cosmologie Ralisations et projetsDtecteurs CCD pour dautres applicationsQuestions dactualitStructure du dtecteur

Charge-Coupled Device (Smith et Boyle, prix Nobel 2009)Collection de charges dans la rgion dplte dun condensateur MOSEfficacit quantique : 1 photon -> 1 paire e-/h+, profondeur optiquePigeage en surfaceCanal enterr (n-channel)Puits de potentielMatrice de pixelsPeignes dlectrodesChannel stopsExcs de charges : bloomingLecture srialise (2 16 canaux par dtecteur)

Principe de lectureTransfert des chargesParallle : l'ensemble des lignesSrie : les pixels d'une ligne dans le registre srie3 ou 4 phasesEfficacit de transfert (CTE)

tage de sortieCapacit au nud (sensor node) : 15 fF pour 5 V/e-Amplificateur de charges intgr au CCDTransistor : L*W = 4-6 m * 45 m Consommation 5-10 mW par canal

Output DrainReset DrainOutput GateSquence de lectureTransfert dun pixel, remise zroBruit de remise zro : (kTC)~ 80 e- pour 15 fFSoustraction analogique ou digitale

swCCD scientifiques

S. HollandCCD pour lastronomie visible Efficacit quantique leve, gamme de longueur donde : 350 nm 1100 nmLinaritDynamique : profondeur de puits > 100 ke-Bas bruit:Courant dobscurit ( -100C) : ~ e-/pixel/hBruit de lecture : ~ 5 e- @ 100 kHzPSF : Point Spread Function (diffusion / taille des pixels)Efficacit de transfert de chargesAutres applications scientifiquesImagerie mdicaleRayons X : spectro-imageur en astronomie X, synchrotron

XMM-Newton,ESAAbsorption du spectre optique

V. RadekaIlluminationCCD illumin de dos (back-illuminated):limine absorption, rflexions complexesAvec Si dop de rsistivit normale (20-100 .cm): profondeur de dpltion limiteAmincissement : typiquement 10 20 m

CCD amincisPeu efficaces dans le rouge et proche-IRFranges dinterfrences (fringing)

M. SchirmerCCD paisCCD pais (classification E2V) :deep depletionCCD : 40 m, Si pitaxial plus rsistifbulk CCD : 70 m, Si haute rsistivit (bulk Si)high-rhoCCD : > 100 m, Si haute rsistivit + tension de substrat au dosSi haute rsistivit : > 4 k.cm (typiquement 10)Tension applique au dos du CCD (backside bias) : -40 -70 V -> fonctionnement en diode PINInconvnients : cosmiques, dgradation aux grands angles dincidenceEfficacit quantique

P. Jorden, E2V CCD pais : gardeRisque de courant de fuite entre le devant et le dos du CCDEffets de bords

P. Jorden, E2V Traitements de la fentreCouche fortement dope (p ~1019 cm-3), paisseur 5- 10 nm (affecte lefficacit quantique UV)Traitement anti-reflets (Anti-Reflective Coating)

P. Jorden, E2V CCD porteurs h+CCD porteurs de charges trous, canal p (p-channel CCD)Haute rsistivit : densit de donneurs n 1011 cm-3 (> 4 k.cm)

Epais : jusqu 600 mRsistance aux radiationsLawrence Berkeley National Laboratory, HamamatsuBesoins pour la lecture dun CCDTensionsCourants sur les horloges

CCD pour lastronomie : utilisations 99% des observations dans le visibleGrands plans focaux : Couverture spatiale Couverture temporelleProfondeur (magnitude)Cosmologie observationnelle : matire noire et nergie noire Supernovae de type IaEffets de lentilles faibles (weak gravitational lensing)Pic doscillation acoustique des baryons (BAO)Amas de galaxieMesures de formes, photomtrie prcise (1 %)

MegaCamCCD42-90 : 2048 x 4612 pixels, 13.5 m, 0.185 arcsec/pixel 40 CCD, 36 utiliss : 340 Mpixel, 1 deg2CFHT Legacy SurveyCanada-France-Hawaii Telescope / 2003

LSST : Large Synoptic Survey Telescope10 degrs carrs, 3.2 GpixelCCD : 16 Mpixel, 16 canaux, pixels 10*10 mCCD n-channel, paisseur 100 m

Dautres types de CCDInverted Mode Operation : rduction du courant dobscurit (/100)Horloges parallles 0/+15 VSubstrat +9.5 V : 2/3 lectrodes sont en inversion

Dautres types de CCDElectron-Multiplying CCD : registre de gain entre le registre dcalage et lamplificateur de sortie : gain par avalanche (> 500 lments)Faible bruit de lecturePhotomtrie comptage de photons, spectroscopie haute rsolutionFrame-transfer : surface de stockage protge gale la surface expose

AndorE2V24Mesure du gainIllumination uniforme (flat fields)Photon Transfer Curve : bruit de photon/fluxNon-linarit hauts flux

A. GuyonnetBrighter fatterCovariance entre pixels voisins -> 3 pixels (au moins)Insensible la longueur dondeSensible la directionPour un point : ltalement augmente avec lintensit

Brighter fatterModle : dformation lectrostatique des frontires entre pixels

50 ke-Taille effective des pixelsVariations defficacit quantiqueIrrgularits de fabricationIntrinsque au substrat : tree ringsAffectent la calibration et lastromtrie