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2010.5.25 CCD的工作原理及其光谱特性

 

1 CCD的基本工作原理

CCD(Charged Coupled Device,电荷耦合器件)是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号,实现电荷的存储和电荷的转移。因此,CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。

1.1 MOS电容器
CCD是一種固態檢測器,由多個光敏像元組成,其中每一個光敏像元就是一個MOS(金屬—氧化物—半導體)電容器。但工作原理與MOS晶體管不同。
CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的:在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100~150nm的SiO2绝缘层,再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电 极,在衬底和电极间加上一个偏置电压(栅极电压),即形成了一个MOS电容器。
CCD一般是以P型矽爲襯底,在這種P型矽襯底中,多數載流子是空穴,少數載流子是電子。在電極施加柵極電壓VG之前,空穴的分布是均勻的,當電極相對于襯底施加正柵壓VG時,在電極下的空穴被排斥,産生耗盡層,當柵壓繼續增加,耗盡層將進一步向半導體內延伸,這一耗盡層對于帶負電荷的電子而言是一個勢能特別低的區域,因此也叫做“勢阱”。
在耗盡狀態時,耗盡區電子和空穴濃度與受主濃度相比是可以忽略不計的,但如正柵壓VG進一步增加,界面上的電子濃度將隨著表面勢成指數地增長,而表面勢又是隨耗盡層寬度成平方率增加的。這樣隨著表面電勢的進一步增加,在界面上的電子層形成反型層。而一旦出現反型層,MOS就認爲處于反型狀態。顯然,反型層中電子的增加和因柵壓的增加的正電荷相平衡,因此耗盡層的寬度幾乎不變。反型層的電子來自耗盡層的電子—空穴對的熱産生過程。對于經過很好處理的半導體材料,這種産生過程是非常緩慢的。因此在加有直流電壓的金屬板上疊加小的交流信號時,反型層中電子數目不會因疊有交流信號而變化。

1.2 电荷存储
當一束光投射到MOS電容器上時,光子透過金屬電極和氧化層,進入Si襯底,襯底每吸收一個光子,就會産生一個電子—空穴對,其中的電子被吸引到電荷反型區存儲。從而表明了CCD存儲電荷的功能。一個CCD檢測像元的電荷存儲容量決定于反型區的大小,而反型區的大小又取決于電極的大小、柵極電壓、絕緣層的材料和厚度、半導體材料的導電性和厚度等一些因素。
Si-SiO2的表面電勢VS與存儲電荷QS的關系。曲線的直線性好,說明兩者之間有良好的反比例線性關系,這種線性關系很容易用半導體物理中“勢阱”的概念來描述。電子所以被加有柵極電壓VG的MOS結構吸引到Si-SiO2的交接面處,是因爲那裏的勢能最低。在沒有反型層電荷時,勢阱的“深度”與電極電壓的關系恰如表面勢VS與電荷QS的線性關系。反型層電荷填充勢阱時,表面勢收縮。當反型層電荷足夠多,使勢阱被填滿時,此時表面勢下降到不再束縛多余的電子,電子將産生“溢出”現象。

1.3 电荷转移
爲了便于理解在CCD中勢阱電荷如何從一個位置移到另一個位置,取CCD中四個彼此靠得很近的電極來觀察。
假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里,其他电极上均加有大于域值电压的较低电压(例如2V)。为零时刻(初始时刻),过t1时刻后,各电极上的电压变,第二个电极仍保持为10V,第三个电极上的电压由2V变到10V,因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米),他们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极 下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有。若此后电极上的电压变为,第二个电极电压由10V变为2V,第三个电极电压仍为10V,则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中。由此可见,深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通過將一定規則變化的電壓加到CCD各電極上,電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分爲幾組,每一組稱爲一相,並施加同樣的時鍾脈沖。CCD的內部結構決定了使其正常工作所需的相數。
這樣的CCD稱爲三相CCD。三相CCD的電荷耦合(傳輸)方式必須在三相交叠脈沖的作用下才能以一定的方向,逐個單元的轉移。另外必須強調指出的是,CCD電極間隙必須很小,電荷才能不受阻礙地自一個電極下轉移到相鄰電極下。這對于圖3—4所示的電極結構是一個關鍵問題。如果電極間隙比較大,兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開,不能合並,電荷也不能從一個電極向另一個電極轉移。CCD便不能在外部時鍾脈沖的作用下正常工作。

1.4 电荷的注入和检测
CCD中的信號電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。光注入就是當光照射CCD矽片時,在柵極附近的半導體體內産生電子—空穴對,其多數載流子被柵極電壓排開,少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。而所謂電注入,就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣,將信號電壓或電流轉換爲信號電荷。在此僅討論與本課題有關的光注入法。
CCD利用光電轉換功能將投射到CCD上面的光學圖像轉換爲電信號“圖像”,即電荷量與當地照度大致成正比的大小不等的電荷包空間分布,然後利用移位寄存功能將這些電荷包“自掃描”到同一個輸出端,形成幅度不等的實時脈沖序列。其中光電轉換功能的物理基礎是半導體的光吸收。
當電磁輻射投射到半導體上面時,電磁輻射一部分被反射,另一部分透射,其余部分被半導體吸收。所謂半導體光吸收,就是電子吸收光子並從一個能態躍遷到另一個較高能級的過程。AG真人官方首页這裏將要涉及到的是價帶電子越過禁帶到導帶的躍遷,和局域雜質或缺陷周圍的束縛電子(或空穴)到導帶(獲價帶)的躍遷。他們分別稱爲本征吸收和非本征吸收。CCD利用處于表面深耗盡狀態的一系列MOS電容器(稱爲感光單元或光敏單元)收集光産生的少數載流子。這些收集勢阱是相互隔離的。由此可見,光轉換成電的過程實際上還包括對空間連續的光強分布進行空間上分離的采樣過程。
另外,襯底每吸收一個光子,反型區中就多一個電子,這種光子數目與存儲電荷的定量關系正是CCD檢測器用于對光信號作定量分析的依據。
轉移到CCD輸出端的信號電荷在輸出電路上實現電荷/電壓(電流)的線性變換,稱之爲電荷檢測。從應用角度對電荷檢測提出的要求是檢測的線性、檢測的增益和檢測引起的噪聲。針對不同的使用要求,有幾種常用的檢測電路,如柵電容電荷積分器、差動電路積分器以及帶浮置柵和分布浮置柵放大器的輸出電路。這裏就不一一敘述了。


2 CCD的光谱分析特性
2.1 电荷转移效率(CTE)
CCD以電荷作爲信號,所以電荷信號的轉移效率就成爲其最重要的性能之一。把一次轉移之後,到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱爲電荷轉移效率。好的CCD具有極高的電荷轉移效率,一般可達0.999995,所以電荷在多次轉移過程中的損失可以忽略不計。例如,一個有2048像元的CCD,其信號電荷的總的電荷轉移效率爲0.9999952048,即0.9898,損失率只有約0.1%。

2.2 量子效率(QE)
典型的PMT(光电倍增管)、PDA(光电二极管阵列)、CID(电荷注入器件)和CCD的量子效率。可见,CCD的量子效率大大优于PDA和CID,在400~700nm波段优于PMT。但是,不同厂商制造的CCD在几何尺寸、制造方法、材料上有所不同,结果它们的QE差别较大。如有的CCD只在350~900nm波段的QE达10% 以上,有的CCD在200~1000nm波段都有很高的量子效率。造成QE下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了,尤其是对紫外部分的光吸收较多,这部分光子不产生光生电荷。许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式,可以减少由吸收导致的量子效率损失。背部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达1000。

2.3 暗电流
CCD在低溫工作時,暗電流非常低,暗電流是由熱生電荷載流子引起的,冷卻會使熱生電荷的生成速率大爲降低。但是CCD的冷卻溫度不能太低,因爲光生電荷從各檢測元遷移到放大器的輸出節點的能力隨溫度的下降而降低。制冷到150°K的CCD暗電流小于0.001個電子╱檢測元╱秒。

2.4 动态范围
動態範圍DR的定義爲:
其中VSAT爲飽和輸出電壓,VDRK爲有效像元的平均暗電流輸出電壓。在正常工作條件下,CCD檢測器的所有像元經曆同時曝光,表示的是單個檢測像元的動態範圍,即簡單動態範圍。CCD的簡單動態範圍非常大,寬達10個數量級。以7500的紅光光子爲例,CCD可在1毫秒積分時間內對光強達每秒5×109個光子的光束響應。可以對每秒7×10-2個光子的光源響應。而且在整個動態範圍響應內,都能保持線性響應。這一特性對光譜的定量分析具有特別的意義。
但在一些光譜分析中,如AES(原子發射光譜)中,實際的動態範圍達不到那麽大的值。一種擴展CCD動態範圍的方法是根據光的強弱改變每次測量的積分時間。強信號采用短的積分時間,弱信號采用長的積分時間。這種方法測量強信號旁的弱信號非常不利,存在Blooming(溢出)的問題,特別是對于AES。通過改進CCD制作工藝生産出來的性能優秀的CCD已在不同程度上解決了這個問題。

 

 

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