其它光电探测器

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1、光电信号检测第七章成像探测器及技术一、电荷耦合器件CCD电荷存储应用：信息存储和处理、光学图像信号转变为电子图像数据。§7－1CCD探测器8/22/20212CCD是由金属－氧化物－半导体（简称MOS）构成的密排器件。这种MOS结构，一般是在p型（或n型）Si单晶的衬底上生长一层100－200nm的SiO2层，再在SiO2层上沉积具有一定形状的金属电极（称做栅极），一般是金属铝。p（或n）硅衬底金属电极SiO2VG8/22/202131.MOS电容的热平衡态特性a）当栅电压VG＝0时，这时在p型半导体中将有均匀的空穴分布（多数载流子）。此时表面的存在对半导体内电子运动没有影响，半

2、导体中的水平能量线一直延伸到表面，并与表面垂直。金属的费米能级EFM与p型材料费米能级EFP处于同一水平。金属氧化物p型半导体EcEiEisEFPEVEFMEc：导带底Ev：价带顶Ep：费米能级Ei：半导体在本征导电情况下的费米能级Eis：表面费米能级8/22/20214b）当金属栅极上施加负电压，VG<0，这个电场将排斥电子而吸引空穴，也就是接近表面的电子能量增大，表面处能带向上弯曲。于是越接近界面，空穴的浓度越大，即多子空穴将积聚在界面上，所以这一表面层，叫做“积累层”。金属氧化物p型半导体EcEiEisEFPEVWΦS<0VG<0EFM8/22/20215c）当金属栅极上施

3、加正电压，VG>0，金属费米能级EFM相对半导体费米能级EFP下降eVG。这时靠近栅极下面的空穴立刻被正电场推向远离栅极的一边，表面处能带向下弯曲。在绝缘体SiO2和半导体的界面附近形成一个缺乏空穴电荷的“耗尽层”。金属氧化物p型半导体EcEiEisEEPEVEFMVG>0WΦS>08/22/20216d）当MOS电容栅极上正电压进一步提高时，表面处能带相对于体内将进一步向下弯曲。表面处的费米能级会高于中间能级Ei，这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来p型半导体相反的一层（电子成为多数载流子），称为“反型层”。EFMVG<0金属氧化物p型半导体EcEiEisEFPEV

4、EFMVG>0WΦS>0导电电子8/22/20217如果外界不注入少子（电子）或不引入各种激发，则反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电子空穴对。对于经过良好处理的半导体，这种激发过程是很慢的，约0.1—10s，称为热弛豫时间。热弛豫时间取决于CCD的结构及工艺条件。反型层的出现在SiO2和p型半导体之间建立了导电沟导。因为反型层电荷是负的，因此常称为n沟导CCD。EFMVG<0金属氧化物p型半导体EcEiEisEFPEVEFMVG>0WΦS>0导电电子8/22/202182.MOS电容的非平衡态特性在栅极加压后t＝0的瞬间，空穴将被从界面处推开，在界面处将形成耗尽层。但是将不

5、会立即形成反型层，因为热激发的电子空穴对的形成需要一定时间。加压后t＝0＋时，耗尽层的宽度最大，势阱最深，这时MOS电容最具有存贮电荷的能力。一旦出现电子就能进入势阱。8/22/20219反型层电子出现后，耗尽区缩小，势阱变浅，存贮电荷的能力减小。当t大于热弛豫时间，不可能再存贮新的电荷。因此CCD要贮存有用的信号电荷（不论是输入的或光激发的），都要求信号电荷的存贮时间小于热激发电子的存储时间。CCD是一种非平衡态器件。8/22/202110二、CCD的信号传输1.电荷耦合原理栅极上的电压越高，表面势越高，势阱越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。若MOS

6、电容紧密排列，控制栅极电压可以实现信号电荷的传输。2V10V2V2V①②③t＝t1＝02V10V10V2V①②③t＝t22V2V10V2V①②③t＝t38/22/2021112.电荷传输为了实现信号电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电容为一单元的无限循环结构，每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称为相线。以三相二位n沟道CCD为例输入二极管ID输入栅IGΦ1Φ2Φ3输出t1t2t3t4t5t6t7IDIG123123OGOD输出t＝t1t＝t2t＝t3t＝t4t＝t5t＝t68/22/2021128/22/2

7、021138/22/2021143.电荷注入根据CCD的不同用途有两种不同的电荷注入：用作信息存贮或处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷；用作拍摄光学图像时，通过光电转换把照度分布转换成电荷分布注入到每一位的势阱中。8/22/202115三、电荷耦合器件CCD的转移效率电荷转移效率η是CCD性能好坏的一个重要参数。它表征在一个势阱中被转移了的电荷量与总电荷量之比。通常，直接用的不是转移效率，而是转移损失率ε，即q(t)：在t时刻留在该电极下单位面积上的电荷量；q0：在零时刻注