Göç ve Kentleşme

O sinal de tensão (Vout) do pixel (Fig. V-7) em um determinado intervalo de tempo

depende da quantidade de luz que incide na superfície de seu fotodiodo, do valor de tensão (VDD =4,98V) aplicado e do tipo de fotodiodo e pixel utilizados. A Fig. V-9a

mostra a tensão de saída dos três píxeis, PxTdupla, Pxs/c e Pxc/c, em função do tempo

(Vout-X-t) após desligar o transistor de reset (M1), Vreset=0V, submetidos à luz ( =635nm)

com distribuição de intensidade (I=0,11µW/mm2) e fluxo de fótons (0=3,5x1013s-1cm-2)

homogeneamente distribuídos na superfície do fotodiodo, medida por um medidor de potência óptica (Laser check da Edmund Optics, Inc) cuja área fotosensível é de

50,27mm2. Para t=0 (Vreset=5V) a tensão de saída (VoutMax=2,85V) maior do PxTduplo em

relação ao Pxs/c e Pxc/c (VoutMax=2,25V) deve-se à redução na queda de tensão oferecida

pela estrutura eletrônica de transistor duplo do M1 e M4 presentes apenas no primeiro

pixel e da presença de M2 apenas em Pxs/c e Pxc/c. Por outro lado, para 0<t<4ms

Luciana Pedrosa Salles – Optma-lab – PPGEE – UFMG– Dezembro/2010 138 que diminui a diferença significativamente. Consequentemente, a amplitude da tensão

correlacionada1 (∆Vout) do PxTduplo é maior que a do Pxs/c para um mesmo intervalo de

tempo. No entanto, quanto maior o tempo menor essa diferença entre Vout (PxTduplo) e Vout

(Pxs/c) devido à variação não linear da corrente na resistência RL.

Por outro lado, comparando os resultados obtidos para os Pxs/c e Pxc/c (Fig. V-9a) pode-

se observar que a adição dos capacitores externos (Pxc/c ) no nó do fotodiodo (nPh)

aumenta a tensão de saída e diminui a tensão correlacionada (∆Vout) em um mesmo

intervalo de tempo, além de disponibilizar o sinal de saída (Vout) por um tempo maior. A

adição de capacitor piora a sensibilidade, mas aumenta o tempo de descarga. Por outro lado, reduz consideravelmente o fator de preenchimento, pois o acréscimo do capacitor ocupa uma área considerável do chip (366um X 140um). Em nosso caso, por exemplo, a área ocupada pelos capacitores é 1,63 da área fotossensível do fotodiodo. Estudos mais detalhados dessa alternativa devem ser realizados posteriorme nte visando apresentá- la como opção em casos específicos.

(a) (b)

Fig. V-9 - (a) Tensão de saída (Vout) do PxTdupla , Pxc/c e Pxs/c (em destaque em b) em

função do tempo (t) para uma distribuição de luz homogênea (I=0,11µW/mm2) na superfície

dos fotodiodos.

1 _{A tensão correlacionada (∆Vout) na saída de cada pixel é a diferença entre o sinal de saída (Vout) com o Vreset acionado (V}

reset ~5V) e o sinal de saída (Vout) com o Vreset =0V após um determinado tempo conhecido por tempo de integração do pixel (int) conforme exemplificado na Fig.10b.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. V-10 - Sinal de saída (Vout) para dois píxeis dife rentes: PxTduplo com fotodiodo

homogêneo (PhhomogB) e Pxs/c com fotodiodo de dupla eficiência quântica (PhhomogA),

submetidos a luz homogeneamente distribuída e m suas superfícies com intensidades: (a) 0,597nW/mm2 e 5,97nW/mm2 (b) 15,90nW/mm2 e 22,9nW/mm2. Tempo de integração e m relação à intensidade de luz para uma tensão de saída de Vout=1,75V (c)

e uma tensão correlacionada de saída ∆Vout=1,30V (d).

A Fig. V-10 a e b mostra o sinal de saída dos píxeis PxTduplo e Pxs/c para níveis de

intensidade de luz diferentes. É importante destacar que a tensão correlacionada (∆Voutmax)

máxima é independente da intensidade de luz ou do tempo de integração, no entanto, depende da configuração eletrônica do pixel e do valor de VDD utilizado (VDD=5V). Assim

tem-se ∆Voutmax| PxTduplo=2,75V e ∆Voutmax| Pxs/c e Pxs/c=2,15V (Fig. V-10a). Observa-se

Luciana Pedrosa Salles – Optma-lab – PPGEE – UFMG– Dezembro/2010 140 tempo de integração necessário para a operação do pixel. Essa relação entre intensidade de

luz e tempo de integração para os píxeis em questão, mostrada nas Fig. V-10c-d, pode ser melhor entendida fixando-se um nível de sinal na saída, Vout=1,75V (Fig. V-10a) ou um

valor de tensão correlacionada, Vout=1,30V (Fig. V-10b). Para intensidade de luz que

varie entre poucos nW/mm2 (Fig. V-10a-c) deve-se definir tempos de integração maiores que variem entre centenas a dezenas de ms. Já Intensidades na ordem de dezenas de

nW/mm2 a especificação do tempo de integração é na ordem de poucas dezenas de milesegundos (Fig. V-10b-c). Analisando a Fig. V-10d nota-se ainda que para uma tensão correlacionada fixa o pixel PxTduplo responde em um tempo de integração menor (Fig.

V-10d). Em aplicações oftalmológicas, por exemplo, é necessário trabalhar com intensidades de luz na ordem de 0,35µW/mm2 (considerando pupila com diâmentro de 8mm) o que é perfeitamente possível utilizando esses píxeis com tempos de integração na

ordem de milisegundos (Fig. V-10c-d). Observa-se ainda, pela tendência dos gráficos apresentados, que pode-se trabalhar futuramente com um nível de intensidade um pouco maior (no caso de pupilas sem dilatação) e tempo de exposição menores que 1ms.

Assumindo-se então o tempo de integração de int=1ms, pode-se analisar a tensão

correlacionada (Vout) em relação à intensidade de luz (I) para os três tipos de píxeis em

estudo (PxTdupla, Pxs/c e Pxc/c) conforme mostrado na Fig. V-11. A tensão correlacionada

(Vout ) varia linearmente com a intensidade de luz e a inclinação da reta depende da

configuração eletrônica usado no pixel. O valor máximo de Vout para os píxeis PxTduplo e

Pxs/c é obtido em uma intensidade de luz, I=0,2µ W/mm2. Pode-se estimar ainda que o

acréscimo dos capacitores no Pxs/c possibilitou um aumento da intensidade de luz máxima

(I=0,34µW/mm2) no Pxc/c.

Em todas as medidas experimentais existe um ruído médio na ordem de 0,12V com 0,02V de variação de amplitude no fotodiodo B do PxTduplo. Assim a intensidade de luz equivalente

ao ruído para esse pixel é aproximadamente 0,01µW/mm2. Demais píxeis utilizados apresentaram níveis de ruídos muito menores. A correção desses ruídos de contato é possível refazendo o wirebond do chip o que poderia causar danos irreversíveis ao dispositivo. A tensão correlacionada diferente de zero no Pxs/c para I=0 deve-se à tensão relacionada à

Fig. V-11 – Sinal de saída correlacionado (∆Vout) para três píxeis (PxTdupla, Pxs/c e

Pxc/c) em relação à intensidade de luz incidente (I) para um te mpo de integração τint=1000µs.