第7章其它光電探測器

第7章其它光電探測器一、電荷耦合器件CCD電荷存儲應(yīng)用：信息存儲和處理、光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像數(shù)據(jù)?！?－1CCD探測器CCD是由金屬－氧化物－半導(dǎo)體（簡稱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，這時在p型半導(dǎo)體中將有均勻的空穴分布（多數(shù)載流子）。此時表面的存在對半導(dǎo)體內(nèi)電子運(yùn)動沒有影響，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EFM與p型材料費(fèi)米能級EFP處于同一水平。金屬氧化物p型半導(dǎo)體EcEiEisEFPEVEFMEc：導(dǎo)帶底Ev：價帶頂Ep：費(fèi)米能級Ei：半導(dǎo)體在本征導(dǎo)電情況下的費(fèi)米能級Eis：表面費(fèi)米能級b）當(dāng)金屬柵極上施加負(fù)電壓，VG<0，這個電場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EFM相對半導(dǎo)體費(fèi)米能級EFP下降eVG。這時靠近柵極下面的空穴立刻被正電場推向遠(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，表面處能帶相對于體內(nèi)將進(jìn)一步向下彎曲。表面處的費(fèi)米能級會高于中間能級Ei，這意味著表面處電子濃度將超過空穴濃度，形成與原來p型半導(dǎo)體相反的一層（電子成為多數(shù)載流子），稱為“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)，則反型層中電子來源主要是耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的電子空穴對。對于經(jīng)過良好處理的半導(dǎo)體，這種激發(fā)過程是很慢的，約0.1—10s，稱為熱弛豫時間。熱弛豫時間取決于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)。因為反型層電荷是負(fù)的，因此常稱為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，在界面處將形成耗盡層。但是將不會立即形成反型層，因為熱激發(fā)的電子空穴對的形成需要一定時間。加壓后t＝0＋時，耗盡層的寬度最大，勢阱最深，這時MOS電容最具有存貯電荷的能力。一旦出現(xiàn)電子就能進(jìn)入勢阱。反型層電子出現(xiàn)后，耗盡區(qū)縮小，勢阱變淺，存貯電荷的能力減小。當(dāng)t大于熱弛豫時間，不可能再存貯新的電荷。因此CCD要貯存有用的信號電荷（不論是輸入的或光激發(fā)的），都要求信號電荷的存貯時間小于熱激發(fā)電子的存儲時間。CCD是一種非平衡態(tài)器件。二、CCD的信號傳輸1.電荷耦合原理柵極上的電壓越高，表面勢越高，勢阱越深；若外加電壓一定，勢阱深度隨勢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)信號電荷的傳輸。2V10V2V2V①②③t＝t1＝02V10V10V2V①②③t＝t22V2V10V2V①②③t＝t32.

電荷傳輸為了實(shí)現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電容為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，每一單元稱為一位，將每一位中對應(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，通過輸入端注入與信號成正比的電荷；用作拍攝光學(xué)圖像時，通過光電轉(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性能好壞的一個重要參數(shù)。它表征在一個勢阱中被轉(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時刻留在該電極下單位面積上的電荷量；q0：在零時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決定著信號電荷在沒有被嚴(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)移效率的定義計算例：若要求轉(zhuǎn)移效率qn／q0＝90％，則經(jīng)過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：電荷從一個勢阱傳輸?shù)较乱粋€勢阱需要一定的時間；對于表面溝道CCD而言，SiO2與硅界面態(tài)對電荷的捕獲作用，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)會給器件帶來減小動態(tài)范圍的后果，因而要求背景電荷通常不超過滿阱電荷的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。對面陣探測器來講，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，像敏單元與讀出寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。每一像敏單元對應(yīng)于二個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。行間轉(zhuǎn)移型CCD紅外焦平面器件：用硅做成的CCD成像器件在可見光及很近的紅外波段能工作得非常好。然而對于大部分紅外區(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比度非常低，要求探測器具有高度均勻性；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）紅外探測器的阻抗必須很高，否則在與CCD耦合時會使注入效率下降；4）紅外材料往往禁帶寬度小，熱激發(fā)嚴(yán)重，熱弛豫時間短，所以必須在高頻下使用，這對轉(zhuǎn)換效率和光敏面積分時間部存在不利影響；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)?；旌鲜郊t外焦平面陣列器件是由紅外探測器與硅CCD信息處理器二部分通過鑲嵌技術(shù)與互連電路組合起來，其關(guān)鍵技術(shù)就在于探測器與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的分辨率與像素數(shù)、每個像元的尺寸和像元之間的間距有關(guān)；當(dāng)像素數(shù)一定時，轉(zhuǎn)移損失率對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，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，暗電流使勢阱慢慢地被填滿，減小了動態(tài)范圍。尤其是暗電流在整個成像區(qū)不均勻時，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）動態(tài)范圍動態(tài)范圍是指對于光照度有較大變化時，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)量級的電荷放大可實(shí)現(xiàn)單光子計數(shù)等效輸出噪聲小于一個電子§7－2多元及多色探測器件隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，單元探測器滿足不了紅外系統(tǒng)提高作用距離、響應(yīng)速度及擴(kuò)大視場和簡化光機(jī)掃描結(jié)構(gòu)的要求，紅外探測器必然由單元向多元方向發(fā)展。雙色和多色探測器能同時對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、測溫和森林防火等方面得到廣泛應(yīng)用。一、多色探測器多色探測器又稱為多波段探測器，它是將兩個以上光譜響應(yīng)不同的探測器構(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波元件的上面，中間用透明的環(huán)氧樹脂粘合，或采用同質(zhì)結(jié)／異質(zhì)結(jié)的雙層結(jié)構(gòu)。二、多元探測方式用多個光電探測器與光學(xué)系統(tǒng)組成探測頭對目標(biāo)進(jìn)行探測的方式稱為多元探測方式。與單元探測（系統(tǒng)只采用一個探測器）方式相比，它的特點(diǎn)是并行處理、快速。所用的多個探測器可以集成在同一芯片上，如四象限探測器、多色探測器等，也可以用多個分立探測器件。雙元探測法是采用兩個光電探測器與光學(xué)系統(tǒng)組成探測頭，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。通常把兩個探測器接成電橋方式或差動方式以自動減去背景光能作用下光電探測器輸出的光電流?；蛘哂脙蓚€光電探測器分別形成雙通道、經(jīng)后續(xù)電路適當(dāng)處理以消除與目標(biāo)信號無關(guān)的一些直流（不變的）光能量的影響。三、四象限探測器把四個性能完全相同的探測器按照直角坐標(biāo)要求排列成四個象限做在同一芯片上，中間有十字形溝道隔開，即四象限探測器。四象限探測器象限之間的間隔稱為“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，就無法判別光斑的位置；“死區(qū)”作得過分狹窄，可能引起信號之間的相互串?dāng)_，同時工藝上也不易達(dá)到，所以實(shí)際制作時，必須要兼顧這兩個方面。此外，四象限探側(cè)器在實(shí)際工作時要求四個探測器分別配接四個前置放大器。由于四個探測器的響應(yīng)特性（D*，Rv等）不可能作到絕對一致。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，亮斑中心與四象限管十字溝道中心重合，此時電橋輸出信號為零。若亮斑沿上下左右有偏移時，兩對電橋就相應(yīng)于光斑偏離方向而輸出±X、±Y的信號。哪個探測器被照亮斑的面積大，輸出信號也大。這種準(zhǔn)直儀可用于各種建筑施工場合作為測量基準(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)對光脈沖發(fā)生漫反射，反射回來的光由光電接收系統(tǒng)接收。四象限探測器位置因略有離焦，于是接收到目標(biāo)的像為一圓形光斑。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光軸對準(zhǔn)目標(biāo)時，圓形光斑中心與四象限管中心重合。四個器件因受照的光斑面積相同，輸出相等的脈沖電壓。經(jīng)過后面的處理電路以后，沒有誤差信號輸出。當(dāng)