第7章其它光電探測(cè)器

第7章其它光電探測(cè)器一、電荷耦合器件CCD電荷存儲(chǔ)應(yīng)用：信息存儲(chǔ)和處理、光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像數(shù)據(jù)。§7－1CCD探測(cè)器CCD是由金屬－氧化物－半導(dǎo)體（簡(jiǎn)稱(chēng)MOS）構(gòu)成的密排器件。這種MOS結(jié)構(gòu)，一般是在p型（或n型）Si單晶的襯底上生長(zhǎng)一層100－200nm的SiO2層，再在SiO2層上沉積具有一定形狀的金屬電極（稱(chēng)做柵極），一般是金屬鋁。p（或n）硅襯底金屬電極SiO2VG1.MOS電容的熱平衡態(tài)特性a）當(dāng)柵電壓VG＝0時(shí)，這時(shí)在p型半導(dǎo)體中將有均勻的空穴分布（多數(shù)載流子）。此時(shí)表面的存在對(duì)半導(dǎo)體內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有影響，半導(dǎo)體中的水平能量線一直延伸到表面，并與表面垂直。金屬的費(fèi)米能級(jí)EFM與p型材料費(fèi)米能級(jí)EFP處于同一水平。金屬氧化物p型半導(dǎo)體EcEiEisEFPEVEFMEc：導(dǎo)帶底Ev：價(jià)帶頂Ep：費(fèi)米能級(jí)Ei：半導(dǎo)體在本征導(dǎo)電情況下的費(fèi)米能級(jí)Eis：表面費(fèi)米能級(jí)b）當(dāng)金屬柵極上施加負(fù)電壓，VG<0，這個(gè)電場(chǎng)將排斥電子而吸引空穴，也就是接近表面的電子能量增大，表面處能帶向上彎曲。于是越接近界面，空穴的濃度越大，即多子空穴將積聚在界面上，所以這一表面層，叫做“積累層”。

金屬氧化物p型半導(dǎo)體EcEiEisEFPEVW

ΦS<0VG<0EFMc）當(dāng)金屬柵極上施加正電壓，VG>0，金屬費(fèi)米能級(jí)EFM相對(duì)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EFP下降eVG。這時(shí)靠近柵極下面的空穴立刻被正電場(chǎng)推向遠(yuǎn)離柵極的一邊，表面處能帶向下彎曲。在絕緣體SiO2和半導(dǎo)體的界面附近形成一個(gè)缺乏空穴電荷的“耗盡層”。

金屬氧化物p型半導(dǎo)體EcEiEisEEPEVEFMVG>0WΦS>0d）當(dāng)MOS電容柵極上正電壓進(jìn)一步提高時(shí)，表面處能帶相對(duì)于體內(nèi)將進(jìn)一步向下彎曲。表面處的費(fèi)米能級(jí)會(huì)高于中間能級(jí)Ei，這意味著表面處電子濃度將超過(guò)空穴濃度，形成與原來(lái)p型半導(dǎo)體相反的一層（電子成為多數(shù)載流子），稱(chēng)為“反型層”。EFMVG<0金屬氧化物p型半導(dǎo)體EcEiEisEFPEVEFMVG>0WΦS>0導(dǎo)電電子如果外界不注入少子（電子）或不引入各種激發(fā)，則反型層中電子來(lái)源主要是耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的電子空穴對(duì)。對(duì)于經(jīng)過(guò)良好處理的半導(dǎo)體，這種激發(fā)過(guò)程是很慢的，約0.1—10s，稱(chēng)為熱弛豫時(shí)間。熱弛豫時(shí)間取決于CCD的結(jié)構(gòu)及工藝條件。反型層的出現(xiàn)在SiO2和p型半導(dǎo)體之間建立了導(dǎo)電溝導(dǎo)。因?yàn)榉葱蛯与姾墒秦?fù)的，因此常稱(chēng)為n溝導(dǎo)CCD。EFMVG<0金屬氧化物p型半導(dǎo)體EcEiEisEFPEVEFMVG>0WΦS>0導(dǎo)電電子2.MOS電容的非平衡態(tài)特性在柵極加壓后t＝0的瞬間，空穴將被從界面處推開(kāi)，在界面處將形成耗盡層。但是將不會(huì)立即形成反型層，因?yàn)闊峒ぐl(fā)的電子空穴對(duì)的形成需要一定時(shí)間。加壓后t＝0＋時(shí)，耗盡層的寬度最大，勢(shì)阱最深，這時(shí)MOS電容最具有存貯電荷的能力。一旦出現(xiàn)電子就能進(jìn)入勢(shì)阱。反型層電子出現(xiàn)后，耗盡區(qū)縮小，勢(shì)阱變淺，存貯電荷的能力減小。當(dāng)t大于熱弛豫時(shí)間，不可能再存貯新的電荷。因此CCD要貯存有用的信號(hào)電荷（不論是輸入的或光激發(fā)的），都要求信號(hào)電荷的存貯時(shí)間小于熱激發(fā)電子的存儲(chǔ)時(shí)間。CCD是一種非平衡態(tài)器件。二、CCD的信號(hào)傳輸1.電荷耦合原理柵極上的電壓越高，表面勢(shì)越高，勢(shì)阱越深；若外加電壓一定，勢(shì)阱深度隨勢(shì)阱中電荷量的增加而線性下降。若MOS電容緊密排列，控制柵極電壓可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的傳輸。2V10V2V2V①②③t＝t1＝02V10V10V2V①②③t＝t22V2V10V2V①②③t＝t32.

電荷傳輸為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電容為一單元的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)，每一單元稱(chēng)為一位，將每一位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱(chēng)為相線。以三相二位n溝道CCD為例輸入二極管ID輸入柵IGΦ1Φ2Φ3輸出t1t2t3t4t5t6t7IDIG123123OGOD輸出t＝t1t＝t2t＝t3t＝t4t＝t5t＝t63.電荷注入根據(jù)CCD的不同用途有兩種不同的電荷注入：用作信息存貯或處理時(shí)，通過(guò)輸入端注入與信號(hào)成正比的電荷；用作拍攝光學(xué)圖像時(shí)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換把照度分布轉(zhuǎn)換成電荷分布注入到每一位的勢(shì)阱中。三、電荷耦合器件CCD的轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率η是CCD性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)。它表征在一個(gè)勢(shì)阱中被轉(zhuǎn)移了的電荷量與總電荷量之比。通常，直接用的不是轉(zhuǎn)移效率，而是轉(zhuǎn)移損失率ε，即q(t)：在t時(shí)刻留在該電極下單位面積上的電荷量；q0：在零時(shí)刻注入到該電極下單位面積上的總電荷量電荷轉(zhuǎn)移效率η決定著信號(hào)電荷在沒(méi)有被嚴(yán)重畸變和衰減以前所能轉(zhuǎn)移的次數(shù)。例如，有一個(gè)CCD器件，原始注入的電荷量為q0，經(jīng)多次轉(zhuǎn)移后剩下的有效電荷量為qn，則根據(jù)轉(zhuǎn)移效率的定義計(jì)算例：若要求轉(zhuǎn)移效率qn／q0＝90％，則經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后的總損失率為0.1。設(shè)轉(zhuǎn)移次數(shù)n＝990，則每次平均轉(zhuǎn)移損失率為ε<10-4，或η>99.99。影響轉(zhuǎn)移效率的因素主要有兩個(gè)：電荷從一個(gè)勢(shì)阱傳輸?shù)较乱粋€(gè)勢(shì)阱需要一定的時(shí)間；對(duì)于表面溝道CCD而言，SiO2與硅界面態(tài)對(duì)電荷的捕獲作用，即陷阱效應(yīng)。為了減小陷阱效應(yīng)，所用的辦法叫肥零技術(shù)。即設(shè)法不讓勢(shì)阱工作于空阱和充滿兩種狀態(tài)，而是隨著電荷包的傳遞，人為地注入少量電荷，使勢(shì)阱不空。這樣使表面狀態(tài)總能有電子填充。實(shí)現(xiàn)辦法可用輸入二極管注入（電注入）或用均勻背景光照射（光注入）。肥零技術(shù)能起到改善作用，但是不能全部補(bǔ)償。肥零技術(shù)會(huì)給器件帶來(lái)減小動(dòng)態(tài)范圍的后果，因而要求背景電荷通常不超過(guò)滿阱電荷的10％—30％。四、電荷耦合CCD成像器件CCD成像器件有線陣和面陣兩種。對(duì)面陣探測(cè)器來(lái)講，目前可以做到1024×1024，2048×2048，甚至8176×6132像元的器件。1、線陣列CCD成像器件單溝道線型CCD 雙溝道線陣CCD轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF較差，只適用于像敏單元較少的成像器件。轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率大大提高，故一般高于256位的線陣CCD都為雙溝道的。

2、面陣CCD

按一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成二維面陣CCD。根據(jù)轉(zhuǎn)移方式不同，面陣CCD通常有全幀轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移、行間轉(zhuǎn)移等轉(zhuǎn)移方式。全幀轉(zhuǎn)移CCD利用CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)將光電荷轉(zhuǎn)移至水平移位寄存器內(nèi)的CCD光敏面積占總面積的比例很大。全幀轉(zhuǎn)移CCD

幀轉(zhuǎn)移面陣CCD幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光敏單元的尺寸較小，模傳遞函數(shù)MTF較高，但光敏面積占總面積的比例小。轉(zhuǎn)移速度較快。幀轉(zhuǎn)移面陣CCD

行間轉(zhuǎn)移型CCD

它的像敏單元呈二維排列，每列像敏單元被遮光的讀出寄存器及溝阻隔開(kāi)，像敏單元與讀出寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。每一像敏單元對(duì)應(yīng)于二個(gè)遮光的讀出寄存器單元。讀出寄存器與像敏單元的另一側(cè)被溝阻隔開(kāi)。行間轉(zhuǎn)移型CCD紅外焦平面器件：用硅做成的CCD成像器件在可見(jiàn)光及很近的紅外波段能工作得非常好。然而對(duì)于大部分紅外區(qū)域，硅幾乎是透明的，在紅外區(qū)必須發(fā)展相應(yīng)的成像器件。但是，發(fā)展紅外焦平面器件遇到一些特殊困難：1）紅外背景輻射高，使得被觀察的物體輻射與背景輻射的對(duì)比度非常低，要求探測(cè)器具有高度均勻性；2）為了貯存較強(qiáng)的背景輻射所產(chǎn)生的載流子，CCD就必須有足夠的電荷存貯能力；3）紅外探測(cè)器的阻抗必須很高，否則在與CCD耦合時(shí)會(huì)使注入效率下降；4）紅外材料往往禁帶寬度小，熱激發(fā)嚴(yán)重，熱弛豫時(shí)間短，所以必須在高頻下使用，這對(duì)轉(zhuǎn)換效率和光敏面積分時(shí)間部存在不利影響；5）材料禁帶寬度小，擊穿電壓也低。根據(jù)紅外焦平面器件信號(hào)電荷的讀出及處理的不同分為混合式和單片式兩種結(jié)構(gòu)。混合式紅外焦平面陣列器件是由紅外探測(cè)器與硅CCD信息處理器二部分通過(guò)鑲嵌技術(shù)與互連電路組合起來(lái)，其關(guān)鍵技術(shù)就在于探測(cè)器與CCD之間的鑲嵌技術(shù)與互連電路。單片式焦平面陣列器件，通常選擇具有合適光譜響應(yīng)的本征紅外探測(cè)器材料，如InSb、HgCdTe、PbSnTe等，在其上面作出光敏元及電荷讀出結(jié)構(gòu)。五、電荷耦合CCD成像器件的性能參數(shù)1）分辨率CCD的分辨率與像素?cái)?shù)、每個(gè)像元的尺寸和像元之間的間距有關(guān)；當(dāng)像素?cái)?shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)移損失率對(duì)空間分辨率的影響很大；若光生載流子產(chǎn)生在離耗盡層較遠(yuǎn)的地方時(shí)，產(chǎn)生橫向擴(kuò)散，引起像素之間相互干擾，造成空間分辨率降低。2）暗電流暗電流主要由耗盡區(qū)的熱激發(fā)載流子，以及Si和SiO2界面態(tài)的復(fù)合等原因造成，暗電流使勢(shì)阱慢慢地被填滿，減小了動(dòng)態(tài)范圍。尤其是暗電流在整個(gè)成像區(qū)不均勻時(shí)，使像面嚴(yán)重畸變。3）靈敏度靈敏度主要由CCD器件響應(yīng)度和各種噪聲因素共同決定。由于CCD結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲源也較多，主要有:光子噪聲;暗電流噪聲;表面捕獲噪聲;“肥零”噪聲;輸出電路噪聲等。4）動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是指對(duì)于光照度有較大變化時(shí)，器件仍能線性響應(yīng)。它的上限是由電荷最大存貯容量決定，下限仍是噪聲所限制。5）光譜響應(yīng)CCD器件的光譜響應(yīng)與所用材料有關(guān)。通常用Si材料制做的CCD，其光譜響應(yīng)曲線與硅光電二極管相同。六、微透鏡技術(shù)

微型透鏡技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)為：微透鏡陣列覆蓋CCD的全部表面，它能將入射的全部光線會(huì)聚在光電二極管(像素)上，這樣，入射光將得到接近100％的利用；使用微透鏡技術(shù)可縮小光電二極管(像素)的尺寸，從而提高圖像傳感器的靈敏度；光電二極管(像素)的尺寸縮小了，噪聲也隨著降低了；光電二極管(像素)尺寸的縮小，結(jié)電容會(huì)減小，促使響應(yīng)速度的提高；光電二極管(像素)的尺寸縮小，可以有更大空間用于布置電子元器件和傳輸溝道等，促使CCD整體性能的提高。七、電子倍增CCD（EMCCD）

采用具有雪崩放大功能的移位寄存器可實(shí)現(xiàn)102～103

數(shù)量級(jí)的電荷放大可實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)等效輸出噪聲小于一個(gè)電子§7－2多元及多色探測(cè)器件隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，單元探測(cè)器滿足不了紅外系統(tǒng)提高作用距離、響應(yīng)速度及擴(kuò)大視場(chǎng)和簡(jiǎn)化光機(jī)掃描結(jié)構(gòu)的要求，紅外探測(cè)器必然由單元向多元方向發(fā)展。雙色和多色探測(cè)器能同時(shí)對(duì)雙波段和多波段的輻射信息進(jìn)行處理，已在搜索、跟蹤、制導(dǎo)系統(tǒng)等軍事上和地球資源勘查、預(yù)警、測(cè)溫和森林防火等方面得到廣泛應(yīng)用。一、多色探測(cè)器多色探測(cè)器又稱(chēng)為多波段探測(cè)器，它是將兩個(gè)以上光譜響應(yīng)不同的探測(cè)器構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)或并列結(jié)構(gòu)。在疊層結(jié)構(gòu)中通常將短波元件放在長(zhǎng)波元件的上面，中間用透明的環(huán)氧樹(shù)脂粘合，或采用同質(zhì)結(jié)／異質(zhì)結(jié)的雙層結(jié)構(gòu)。二、多元探測(cè)方式用多個(gè)光電探測(cè)器與光學(xué)系統(tǒng)組成探測(cè)頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的方式稱(chēng)為多元探測(cè)方式。與單元探測(cè)（系統(tǒng)只采用一個(gè)探測(cè)器）方式相比，它的特點(diǎn)是并行處理、快速。所用的多個(gè)探測(cè)器可以集成在同一芯片上，如四象限探測(cè)器、多色探測(cè)器等，也可以用多個(gè)分立探測(cè)器件。雙元探測(cè)法是采用兩個(gè)光電探測(cè)器與光學(xué)系統(tǒng)組成探測(cè)頭，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通常把兩個(gè)探測(cè)器接成電橋方式或差動(dòng)方式以自動(dòng)減去背景光能作用下光電探測(cè)器輸出的光電流?；蛘哂脙蓚€(gè)光電探測(cè)器分別形成雙通道、經(jīng)后續(xù)電路適當(dāng)處理以消除與目標(biāo)信號(hào)無(wú)關(guān)的一些直流（不變的）光能量的影響。三、四象限探測(cè)器把四個(gè)性能完全相同的探測(cè)器按照直角坐標(biāo)要求排列成四個(gè)象限做在同一芯片上，中間有十字形溝道隔開(kāi)，即四象限探測(cè)器。四象限探測(cè)器象限之間的間隔稱(chēng)為“死區(qū)”，—般要求“死區(qū)”作得很窄。若“死區(qū)”太寬，而入射光斑較小時(shí)，就無(wú)法判別光斑的位置；“死區(qū)”作得過(guò)分狹窄，可能引起信號(hào)之間的相互串?dāng)_，同時(shí)工藝上也不易達(dá)到，所以實(shí)際制作時(shí)，必須要兼顧這兩個(gè)方面。此外，四象限探側(cè)器在實(shí)際工作時(shí)要求四個(gè)探測(cè)器分別配接四個(gè)前置放大器。由于四個(gè)探測(cè)器的響應(yīng)特性（D*，Rv等）不可能作到絕對(duì)一致。為了正常工作，除盡量選擇一致性好的器件外，要求配接的放大器要能起到補(bǔ)償和均衡的作用。激光射出的光束用倒置望遠(yuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圓形亮斑。光電池AC、BD兩兩接成電橋，當(dāng)光束準(zhǔn)直時(shí)，亮斑中心與四象限管十字溝道中心重合，此時(shí)電橋輸出信號(hào)為零。若亮斑沿上下左右有偏移時(shí)，兩對(duì)電橋就相應(yīng)于光斑偏離方向而輸出±X、±Y的信號(hào)。哪個(gè)探測(cè)器被照亮斑的面積大，輸出信號(hào)也大。這種準(zhǔn)直儀可用于各種建筑施工場(chǎng)合作為測(cè)量基準(zhǔn)線。激光器擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡濾光片四象限光電池ABCD應(yīng)用一：激光準(zhǔn)直應(yīng)用二：目標(biāo)二維方向定位被照射的目標(biāo)對(duì)光脈沖發(fā)生漫反射，反射回來(lái)的光由光電接收系統(tǒng)接收。四象限探測(cè)器位置因略有離焦，于是接收到目標(biāo)的像為一圓形光斑。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，圓形光斑中心與四象限管中心重合。四個(gè)器件因受照的光斑面積相同，輸出相等的脈沖電壓。經(jīng)過(guò)后面的處理電路以后，沒(méi)有誤差信號(hào)輸出。當(dāng)