ccd工作原理教学ppt课件

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1、CCD成像技术及其在遥感中的应用第二章CCD工作原理郝志航内容CCD工作过程电荷的生成电荷的收集电荷包的转移电荷包的测量CCD与CMOS比较小结参考书1《电荷耦合器件原理与应用》王以铭科学出版社1987年2《CCDArraysCamerasandDisplays》GeraldC.HolstSPIE1998CCD的工作过程1前照明光输入1背照明光输入2电荷生成3电荷收集4电荷转移5电荷测量视频输出此图摘自JamesJanesick“DuelingDetectors”CCD的性能很大程度上是由电荷图像的生成决定

2、的，CCD电荷图像的生成是CCD工作最重要的过程之一。电荷的生成CCD电荷图像的生成过程就是光电转换的过程；CCD电荷图像的生成机理是半导体的光电效应；CCD电荷图像的生成理论是固体物理的能带理论。硅和锗都是金刚石晶格结构半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格:每个原子被四个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键。每个电子对组成一个共价键，组成共价键的电子称为价电子。价电子通常位于价带，不能导电。＋4＋4＋4＋4＋4电荷的生成能带理

3、论复习能量增加价带导带1.12eV硅的能级图共价键示意图通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV,砷化镓的Eg＝1.42eV)。photonphoton空穴电子电荷的生成能带理论复习电荷的生成如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。用公式表示如下:其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。2-12-2电荷的生成光电效应中有一个临界

4、波长（），定义为：当时，光子没有足够的能量将电子由价带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对于本征(intrinsic)硅有：这是CCD长波限制，短波如何？2-3电荷的生成能带理论复习电子一旦被激发到导带，它就可以在单晶硅的晶格附近自由运动了。电子离开后所形成的空穴成为一个带正电的载流子。在没有外电场的情况下，这样的一对电子和空穴会在一定时间(复合寿命)内将复合并湮灭。在CCD中，利用一个电场把这些载流子收集起来，防止他们的复合。如何收集电荷？电荷的生成有关参数与CCD电荷生成过程有关的参数是量子效率(Q

5、E)和暗电流。影响QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission)等。影响暗电流的因素主要是温度。电荷的生成理想情况下，电极材料应该是完全透明的，实际上这些材料对光都有一些吸收和反射。如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中λ1和λ2所表示的情况。x：吸收y：复合材料的吸收系数和反射率与波长有关，在可见光波段，波长越短吸收系数和反射率越大。图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！CCD短波限制与结构及材料有关厚型前照明C

6、CD光在表面电极产生反射和吸收，使这种CCD的量子效率比较低，对蓝光的响应非常差。其电极结构不容许采用提高性能的增透膜技术。增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用。n-型硅p-型硅二氧化硅绝缘层多晶硅电极入射光子625mm电荷的生成降低反射硅片减薄到15m左右，光线由背面射入，避免了电极对光线的阻挡，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作减反膜，短波响应将得到很大提高。n-型硅p-型硅二氧化硅多晶硅电极减反(AR)膜Incomingphotons15mm薄型背照明CCD电荷的生成降低反射薄型CCD对近

7、红外光线几乎透明，因此长波响应很差。空气或真空的折射率为1.0，硅为3.6。利用上述方程式可以得出在空气中硅的反射率是32%。除非采取适当的措施消除这种反射，否则硅CCD只能探测到2/3的入射光子。增透膜可以解决这个问题。硅的折射率(ns)很高，很多入射光子会在其表面反射。nins在两种不同折射率物质的界面上光子的反射率为=[]ns-nins+ni2电荷的生成降低反射空气硅加入增透膜以后，有三种介质需要考虑：[]nsxni-nt2nsxni+nt22当时反射率将降为零！满足这个条件材料的折射率为nt=1.9

8、，幸运的是这种材料是存在的，它就是二氧化铪（HafniumDioxide）。通常天文学所使用的CCD都用这种材料作为增透膜。ntnsni2=反射率降为：空气nins增透膜硅nt电荷的生成降低反射右图是EEV42-80CCD的反射率曲线。这种薄型CCD是专为提高蓝光谱响应设计的，其增透膜最佳工作波长为400nm。在400nm反射率下降到左右1%。电荷的生成降低反射提高量子效率最有效的方法是背照明！电荷的生成深蓝光(