其它光电探测器.ppt

光电信号检测光电信号检测第七章第七章 成像探测器及技术成像探测器及技术一、电荷耦合器件一、电荷耦合器件一、电荷耦合器件一、电荷耦合器件CCDCCD电荷存储电荷存储电荷存储电荷存储应用：信息存储和处理、光学图像信号转变为电子图像数据。应用：信息存储和处理、光学图像信号转变为电子图像数据。应用：信息存储和处理、光学图像信号转变为电子图像数据。应用：信息存储和处理、光学图像信号转变为电子图像数据。CCDCCD是由金属氧化物半导体（简称是由金属氧化物半导体（简称是由金属氧化物半导体（简称是由金属氧化物半导体（简称MOSMOS）构成的密）构成的密）构成的密）构成的密排器件。排器件。排器件。排器件。这种这种这种这种MOSMOS结构，一般是在结构，一般是在结构，一般是在结构，一般是在p p型（或型（或型（或型（或n n型）型）型）型）SiSi单晶的衬底上生单晶的衬底上生单晶的衬底上生单晶的衬底上生长一层长一层长一层长一层100100200nm200nm的的的的SiOSiO2 2层，再在层，再在层，再在层，再在SiOSiO2 2层上沉积具有一定层上沉积具有一定层上沉积具有一定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。形状的金属电极（称做栅极），一般是金属铝。形状的金属电极（称做栅极），一般是金属铝。形状的金属电极（称做栅极），一般是金属铝。p p（或（或（或（或n n）硅衬底硅衬底硅衬底硅衬底金属电极金属电极金属电极金属电极SiOSiO2 2V VGG1.MOS1.MOS电容的热平衡态特性电容的热平衡态特性电容的热平衡态特性电容的热平衡态特性a a）当栅电压）当栅电压）当栅电压）当栅电压V VGG0 0时，这时在时，这时在时，这时在时，这时在p p型半导体中将有均匀的空型半导体中将有均匀的空型半导体中将有均匀的空型半导体中将有均匀的空穴分布（多数载流子）。穴分布（多数载流子）。穴分布（多数载流子）。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，半导体中此时表面的存在对半导体内电子运动没有影响，半导体中此时表面的存在对半导体内电子运动没有影响，半导体中此时表面的存在对半导体内电子运动没有影响，半导体中的水平能量线一直延伸到表面，并与表面垂直。金属的费的水平能量线一直延伸到表面，并与表面垂直。金属的费的水平能量线一直延伸到表面，并与表面垂直。金属的费的水平能量线一直延伸到表面，并与表面垂直。金属的费米能级米能级米能级米能级E EF FMM与与与与p p型材料费米能级型材料费米能级型材料费米能级型材料费米能级E EFPFP处于同一水平。处于同一水平。处于同一水平。处于同一水平。金属金属金属金属 氧化物氧化物氧化物氧化物 p p型半导体型半导体型半导体型半导体E Ec cE Ei iE Eis isE EFPFPE EV VE EFMFMEc：导带底：导带底Ev：价带顶价带顶Ep：费米能级：费米能级Ei：半导体在本征导电：半导体在本征导电 情况下的费米能级情况下的费米能级Eis：表面费米能级：表面费米能级b b）当金属栅极上施加负电压，）当金属栅极上施加负电压，）当金属栅极上施加负电压，）当金属栅极上施加负电压，V VGG00，这个电场将排斥电子，这个电场将排斥电子，这个电场将排斥电子，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，表面处能带而吸引空穴，也就是接近表面的电子能量增大，表面处能带而吸引空穴，也就是接近表面的电子能量增大，表面处能带而吸引空穴，也就是接近表面的电子能量增大，表面处能带向上弯曲。向上弯曲。向上弯曲。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于是越接近界面，空穴的浓度越大，即多子空穴将积聚在界于是越接近界面，空穴的浓度越大，即多子空穴将积聚在界于是越接近界面，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，叫做面上，所以这一表面层，叫做面上，所以这一表面层，叫做面上，所以这一表面层，叫做“积累层积累层积累层积累层”。金属金属金属金属 氧化物氧化物氧化物氧化物 p p型半导体型半导体型半导体型半导体E Ec cE Ei iE Eis isE EFPFPE EV VWW S S 0 0V VG G 00，金属费米能级，金属费米能级，金属费米能级，金属费米能级E EFMFM相相相相对半导体费米能级对半导体费米能级对半导体费米能级对半导体费米能级E EFPFP下降下降下降下降eVeVGG。这时靠近栅极下面的空穴立。这时靠近栅极下面的空穴立。这时靠近栅极下面的空穴立。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。在刻被正电场推向远离栅极的一边，表面处能带向下弯曲。在刻被正电场推向远离栅极的一边，表面处能带向下弯曲。在刻被正电场推向远离栅极的一边，表面处能带向下弯曲。在绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体SiOSiO2 2和半导体的界面附近形成一个缺乏空穴电荷的和半导体的界面附近形成一个缺乏空穴电荷的和半导体的界面附近形成一个缺乏空穴电荷的和半导体的界面附近形成一个缺乏空穴电荷的“耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层”。金属金属金属金属 氧化物氧化物氧化物氧化物 p p型半导体型半导体型半导体型半导体E Ec cE Ei iE Eis isE EEPEPE EV VE EFMFMV VG G 0 0WWS S 0 0d d）当）当）当）当MOSMOS电容栅极上正电压进一步提高时，表面处能带相对电容栅极上正电压进一步提高时，表面处能带相对电容栅极上正电压进一步提高时，表面处能带相对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E Ei i，这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来，这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来，这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来，这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来p p型型型型半导体相反的一层（电子成为多数载流子），称为半导体相反的一层（电子成为多数载流子），称为半导体相反的一层（电子成为多数载流子），称为半导体相反的一层（电子成为多数载流子），称为“反型层反型层反型层反型层”。E EFMFMV VGG 0 0WWS S 0 0导电电子导电电子导电电子导电电子如果外界不注入少子（电子）或不引入各种激发，如果外界不注入少子（电子）或不引入各种激发，如果外界不注入少子（电子）或不引入各种激发，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则反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电则反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电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。子空穴对。子空穴对。子空穴对。对于经过良好处理的半导体，这种激发过程是很对于经过良好处理的半导体，这种激发过程是很对于经过良好处理的半导体，这种激发过程是很对于经过良好处理的半导体，这种激发过程是很慢的，约慢的，约慢的，约慢的，约0.110s0.110s，称为，称为，称为，称为热弛豫时间热弛豫时间热弛豫时间热弛豫时间。热弛豫时间。热弛豫时间。热弛豫时间。热弛豫时间取决于取决于取决于取决于CCDCCD的结构及工艺条件。的结构及工艺条件。的结构及工艺条件。的结构及工艺条件。反型层的出现在反型层的出现在反型层的出现在反型层的出现在SiOSiO2 2和和和和p p型半导体之间建立了型半导体之间建立了型半导体之间建立了型半导体之间建立了导电导电导电导电沟导沟导沟导沟导。因为反型层电荷是负的，因此常称为。因为反型层电荷是负的，因此常称为。因为反型层电荷是负的，因此常称为。因为反型层电荷是负的，因此常称为n n沟导沟导沟导沟导CCDCCD。E EFMFMV VGG 0 0WWS S 0 0导电电子导电电子导电电子导电电子2.MOS2.MOS电容的非平衡态特性电容的非平衡态特性电容的非平衡态特性电容的非平衡态特性在栅极加压后在栅极加压后在栅极加压后在栅极加压后t t0 0的瞬间，空穴将被从界面处推开，在界的瞬间，空穴将被从界面处推开，在界的瞬间，空穴将被从界面处推开，在界的瞬间，空穴将被从界面处推开，在界面处将形成耗尽层。但是将不会立即形成反型层，因为热面处将形成耗尽层。但是将不会立即形成反型层，因为热面处将形成耗尽层。但是将不会立即形成反型层，因为热面处将形成耗尽层。但是将不会立即形成反型层，因为热激发的电子空穴对的形成需要一定时间。激发的电子空穴对的形成需要一定时间。激发的电子空穴对的形成需要一定时间。激发的电子空穴对的形成需要一定时间。加压后加压后加压后加压后t t0 0时，耗尽层的宽度最大，势阱最深，这时时，耗尽层的宽度最大，势阱最深，这时时，耗尽层的宽度最大，势阱最深，这时时，耗尽层的宽度最大，势阱最深，这时MOSMOS电容最具有存贮电荷的能力。一旦出现电子就能进入电容最具有存贮电荷的能力。一旦出现电子就能进入电容最具有存贮电荷的能力。一旦出现电子就能进入电容最具有存贮电荷的能力。一旦出现电子就能进入势阱。势阱。势阱。势阱。反型层电子出现后，耗尽区缩小，势阱变浅，存贮反型层电子出现后，耗尽区缩小，势阱变浅，存贮反型层电子出现后，耗尽区缩小，势阱变浅，存贮反型层电子出现后，耗尽区缩小，势阱变浅，存贮电荷的能力减小。当电荷的能力减小。当电荷的能力减小。当电荷的能力减小。当 t t 大于热弛豫时间，不可能再大于热弛豫时间，不可能再大于热弛豫时间，不可能再大于热弛豫时间，不可能再存贮新的电荷。存贮新的电荷。存贮新的电荷。存贮新的电荷。因此因此因此因此CCDCCD要贮存有用的信号电荷（不论是输入的或要贮存有用的信号电荷（不论是输入的或要贮存有用的信号电荷（不论是输入的或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光激发的），都要求信号电荷的存贮时间小于热激光激发的），都要求信号电荷的存贮时间小于热激光激发的），都要求信号电荷的存贮时间小于热激发电子的存储时间。发电子的存储时间。发电子的存储时间。发电子的存储时间。CCDCCD是一种是一种是一种是一种非平衡态器件非平衡态器件非平衡态器件非平衡态器件。二、二、二、二、CCDCCD的信号传输的信号传输的信号传输的信号传输1.1.电荷耦合原理电荷耦合原理电荷耦合原理电荷耦合原理栅极上的电压越高，表面势越高，势阱越深；若外加电压栅极上的电压越高，表面势越高，势阱越深；若外加电压栅极上的电压越高，表面势越高，势阱越深；若外加电压栅极上的电压越高，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。一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。若若若若MOSMOS电容紧密排列，控制栅极电压可以实现信号电荷的电容紧密排列，控制栅极电压可以实现信号电荷的电容紧密排列，控制栅极电压可以实现信号电荷的电容紧密排列，控制栅极电压可以实现信号电荷的传输。传输。传输。传输。2V2V10V10V2V2V2V2Vt tt t1 10 02V2V10V10V10V10V2V2Vt tt t2 22V2V2V2V10V10V2V2Vt tt t3 32.2.2.2.电荷传输电荷传输电荷传输电荷传输为了实现信号电荷的定向转移，在为了实现信号电荷的定向转移，在为了实现信号电荷的定向转移，在为了实现信号电荷的定向转移，在CCDCCD的的的的MOSMOS阵列上划阵列上划阵列上划阵列上划分成以几个相邻分成以几个相邻分成以几个相邻分成以几个相邻MOSMOS电容为一单元的无限循环结构，每一电容为一单元的无限循环结构，每一电容为一单元的无限循环结构，每一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单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连单元称为一位，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。到各自共同电极上，此共同电极称为相线。到各自共同电极上，此共同电极称为相线。到各自共同电极上，此共同电极称为相线。以三相二位以三相二位以三相二位以三相二位n n沟道沟道沟道沟道CCDCCD为例为例为例为例输入二极管输入二极管输入二极管输入二极管IDID输入栅输入栅输入栅输入栅IGIG1 1 1 12 2 2 23 3 3 3输出输出输出输出t t t t1 1 1 1t t t t2 2 2 2t t t t3 3 3 3t t t t4 4 4 4t t t t5 5 5 5t t t t6 6 6 6t t t t7 7 7 7ID IG 1 2 3 1 2 3 OG ODID IG 1 2 3 1 2 3 OG OD输出输出输出输出t tt t1 1t tt t2 2t tt t3 3t tt t4 4t tt t5 5t tt t6 63.3.3.3.电荷电荷电荷电荷注入注入注入注入根据根据根据根据CCDCCD的不同用途有两种不同的电荷注入：的不同用途有两种不同的电荷注入：的不同用途有两种不同的电荷注入：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用作信息存贮或处理时，通过输入端注入与信号成用作信息存贮或处理时，通过输入端注入与信号成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；正比的电荷；正比的电荷；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用作拍摄光学图像时，通过光电转换把照度分布转用作拍摄光学图像时，通过光电转换把照度分布转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。换成电荷分布注入到每一位的势阱中。换成电荷分布注入到每一位的势阱中。换成电荷分布注入到每一位的势阱中。三、电荷耦合器件三、电荷耦合器件三、电荷耦合器件三、电荷耦合器件CCDCCD的转移效率的转移效率的转移效率的转移效率电荷转移效率电荷转移效率电荷转移效率电荷转移效率 是是是是CCDCCD性能好坏的一个重要参数。它表征性能好坏的一个重要参数。它表征性能好坏的一个重要参数。它表征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，在一个势阱中被转移了的电荷量与总电荷量之比。通常，在一个势阱中被转移了的电荷量与总电荷量之比。通常，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，而是转移直接用的不是转移效率，而是转移直接用的不是转移效率，而是转移直接用的不是转移效率，而是转移损失率损失率损失率损失率，即，即，即，即q q(t)(t)：在：在：在：在t t时刻留在该电极下单位面积上的电荷量；时刻留在该电极下单位面积上的电荷量；时刻留在该电极下单位面积上的电荷量；时刻留在该电极下单位面积上的电荷量；q q0 0：在零时刻注入到该电极下单位面积上的总电荷量：在零时刻注入到该电极下单位面积上的总电荷量：在零时刻注入到该电极下单位面积上的总电荷量：在零时刻注入到该电极下单位面积上的总电荷量电荷转移效率电荷转移效率电荷转移效率电荷转移效率 决定着信号电荷在没有被严重畸变和衰减决定着信号电荷在没有被严重畸变和衰减决定着信号电荷在没有被严重畸变和衰减决定着信号电荷在没有被严重畸变和衰减以前所能转移的次数。例如，有一个以前所能转移的次数。例如，有一个以前所能转移的次数。例如，有一个以前所能转移的次数。例如，有一个CCDCCD器件，原始注入器件，原始注入器件，原始注入器件，原始注入的电荷量为的电荷量为的电荷量为的电荷量为q q0 0，经多次转移后剩下的有效电荷量经多次转移后剩下的有效电荷量经多次转移后剩下的有效电荷量经多次转移后剩下的有效电荷量为为为为q qn n，则，则，则，则根据转移效率的定义根据转移效率的定义根据转移效率的定义根据转移效率的定义计算例计算例计算例计算例：若要求转移效率：若要求转移效率：若要求转移效率：若要求转移效率q qn nq q0 09090，则经过，则经过，则经过，则经过n n次转移后次转移后次转移后次转移后的总损失率为的总损失率为的总损失率为的总损失率为0.10.1。设转移次数。设转移次数。设转移次数。设转移次数n n990990，则每次平均转移损，则每次平均转移损，则每次平均转移损，则每次平均转移损失率为失率为失率为失率为 1099.99 99.99。影响转移效率的因素主要有两个：影响转移效率的因素主要有两个：影响转移效率的因素主要有两个：影响转移效率的因素主要有两个：电荷从一个势阱传输到下一个势阱需要一定的时间；电荷从一个势阱传输到下一个势阱需要一定的时间；电荷从一个势阱传输到下一个势阱需要一定的时间；电荷从一个势阱传输到下一个势阱需要一定的时间；对于表面沟道对于表面沟道对于表面沟道对于表面沟道CCDCCD而言，而言，而言，而言，SiOSiO2 2与硅界面态对电荷的与硅界面态对电荷的与硅界面态对电荷的与硅界面态对电荷的捕获作用，即陷阱效应。捕获作用，即陷阱效应。捕获作用，即陷阱效应。捕获作用，即陷阱效应。为了减小陷阱效应，所用的办法叫为了减小陷阱效应，所用的办法叫为了减小陷阱效应，所用的办法叫为了减小陷阱效应，所用的办法叫肥零技术肥零技术肥零技术肥零技术。即设。即设。即设。即设法不让势阱工作于空阱和充满两种状态，而是随着法不让势阱工作于空阱和充满两种状态，而是随着法不让势阱工作于空阱和充满两种状态，而是随着法不让势阱工作于空阱和充满两种状态，而是随着电荷包的传递，人为地注入少量电荷，使势阱不空。电荷包的传递，人为地注入少量电荷，使势阱不空。电荷包的传递，人为地注入少量电荷，使势阱不空。电荷包的传递，人为地注入少量电荷，使势阱不空。这样使表面状态总能有电子填充。这样使表面状态总能有电子填充。这样使表面状态总能有电子填充。这样使表面状态总能有电子填充。实现办法可用输入二极管注入（电注入）或用均匀实现办法可用输入二极管注入（电注入）或用均匀实现办法可用输入二极管注入（电注入）或用均匀实现办法可用输入二极管注入（电注入）或用均匀背景光照射（光注入）。背景光照射（光注入）。背景光照射（光注入）。背景光照射（光注入）。肥零技术能起到改善作用，但是不能全部补偿。肥肥零技术能起到改善作用，但是不能全部补偿。肥肥零技术能起到改善作用，但是不能全部补偿。肥肥零技术能起到改善作用，但是不能全部补偿。肥零技术会给器件带来减小动态范围的后果，因而要零技术会给器件带来减小动态范围的后果，因而要零技术会给器件带来减小动态范围的后果，因而要零技术会给器件带来减小动态范围的后果，因而要求背景电荷通常不超过满阱电荷的求背景电荷通常不超过满阱电荷的求背景电荷通常不超过满阱电荷的求背景电荷通常不超过满阱电荷的10103030。四、电荷耦合四、电荷耦合CCD成像器件成像器件CCDCCD成像器件有线阵和面阵两种。成像器件有线阵和面阵两种。成像器件有线阵和面阵两种。成像器件有线阵和面阵两种。对面阵探测器来讲，目前可以做到对面阵探测器来讲，目前可以做到对面阵探测器来讲，目前可以做到对面阵探测器来讲，目前可以做到1024102410241024，2048204820482048，甚至，甚至，甚至，甚至8176613281766132像元的器件。像元的器件。像元的器件。像元的器件。1、线阵列CCD成像器件单沟道线型单沟道线型单沟道线型单沟道线型CCD CCD 双沟道线阵双沟道线阵双沟道线阵双沟道线阵CCDCCD 转移次数多、效率低、调制传递转移次数多、效率低、调制传递转移次数多、效率低、调制传递转移次数多、效率低、调制传递函数函数函数函数MTFMTFMTFMTF较差，只适用于像敏单元较差，只适用于像敏单元较差，只适用于像敏单元较差，只适用于像敏单元较少的成像器件。较少的成像器件。较少的成像器件。较少的成像器件。转移次数少一半，它的总转移效转移次数少一半，它的总转移效转移次数少一半，它的总转移效转移次数少一半，它的总转移效率大大提高，故一般高于率大大提高，故一般高于率大大提高，故一般高于率大大提高，故一般高于256256位的位的位的位的线阵线阵线阵线阵CCDCCD都为双沟道的。都为双沟道的。都为双沟道的。都为双沟道的。2、面阵CCD 按一定的方式将一维线型按一定的方式将一维线型按一定的方式将一维线型按一定的方式将一维线型CCDCCD的光敏单元及移位寄的光敏单元及移位寄的光敏单元及移位寄的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵 CCD CCD。根据转移方式不同，面阵根据转移方式不同，面阵根据转移方式不同，面阵根据转移方式不同，面阵CCDCCD通常有全帧转移、帧通常有全帧转移、帧通常有全帧转移、帧通常有全帧转移、帧转移、行间转移等转移方式。转移、行间转移等转移方式。转移、行间转移等转移方式。转移、行间转移等转移方式。全帧转移CCD利用利用利用利用CCDCCD进行光电转换，同时将光电荷转移至水平进行光电转换，同时将光电荷转移至水平进行光电转换，同时将光电荷转移至水平进行光电转换，同时将光电荷转移至水平移位寄存器内的移位寄存器内的移位寄存器内的移位寄存器内的CCDCCD光敏面积占总面积的比例很大。光敏面积占总面积的比例很大。全帧转移全帧转移CCD 帧转移面阵帧转移面阵CCD帧转移面阵帧转移面阵帧转移面阵帧转移面阵CCDCCD的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数小，模传递函数小，模传递函数小，模传递函数MTFMTF较高，但光敏面积占总面积的比例较高，但光敏面积占总面积的比例较高，但光敏面积占总面积的比例较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。小。转移速度较快。小。转移速度较快。小。转移速度较快。帧转移面阵CCD 行间转移型行间转移型CCD 它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。行间转移型行间转移型CCD红外焦平面器件：红外焦平面器件：红外焦平面器件：红外焦平面器件：用硅做成的用硅做成的用硅做成的用硅做成的CCDCCD成像器件在可见光及很近的红外波段能工作成像器件在可见光及很近的红外波段能工作成像器件在可见光及很近的红外波段能工作成像器件在可见光及很近的红外波段能工作得非常好。然而对于大部分红外区域，硅几乎是透明的，在得非常好。然而对于大部分红外区域，硅几乎是透明的，在得非常好。然而对于大部分红外区域，硅几乎是透明的，在得非常好。然而对于大部分红外区域，硅几乎是透明的，在红外区必须发展相应的成像器件。红外区必须发展相应的成像器件。红外区必须发展相应的成像器件。红外区必须发展相应的成像器件。但是，发展红外焦平面器件遇到一些特殊困难：但是，发展红外焦平面器件遇到一些特殊困难：但是，发展红外焦平面器件遇到一些特殊困难：但是，发展红外焦平面器件遇到一些特殊困难：1 1）红外背景辐射高，使得被观察的物体辐射与背景辐射的对比）红外背景辐射高，使得被观察的物体辐射与背景辐射的对比）红外背景辐射高，使得被观察的物体辐射与背景辐射的对比）红外背景辐射高，使得被观察的物体辐射与背景辐射的对比度非常低，要求探测器具有高度度非常低，要求探测器具有高度度非常低，要求探测器具有高度度非常低，要求探测器具有高度均匀性均匀性均匀性均匀性；2 2）为了贮存较强的背景辐射所产生的载流子，）为了贮存较强的背景辐射所产生的载流子，）为了贮存较强的背景辐射所产生的载流子，）为了贮存较强的背景辐射所产生的载流子，CCDCCD就必须有就必须有就必须有就必须有足足足足够的电荷存贮能力够的电荷存贮能力够的电荷存贮能力够的电荷存贮能力；3 3）红外探测器的）红外探测器的）红外探测器的）红外探测器的阻抗必须很高阻抗必须很高阻抗必须很高阻抗必须很高，否则在与，否则在与，否则在与，否则在与CCDCCD耦合时会使注入耦合时会使注入耦合时会使注入耦合时会使注入效率下降；效率下降；效率下降；效率下降；4 4）红外材料往往禁带宽度小，热激发严重，热弛豫时间短，所）红外材料往往禁带宽度小，热激发严重，热弛豫时间短，所）红外材料往往禁带宽度小，热激发严重，热弛豫时间短，所）红外材料往往禁带宽度小，热激发严重，热弛豫时间短，所以必须以必须以必须以必须在高频下使用在高频下使用在高频下使用在高频下使用，这对转换效率和光敏面积分时间部存在不，这对转换效率和光敏面积分时间部存在不，这对转换效率和光敏面积分时间部存在不，这对转换效率和光敏面积分时间部存在不利影响；利影响；利影响；利影响；5 5）材料）材料）材料）材料禁带宽度小，击穿电压也低禁带宽度小，击穿电压也低禁带宽度小，击穿电压也低禁带宽度小，击穿电压也低。根据红外焦平面器件信号电荷的读出及处理的不同分为根据红外焦平面器件信号电荷的读出及处理的不同分为根据红外焦平面器件信号电荷的读出及处理的不同分为根据红外焦平面器件信号电荷的读出及处理的不同分为混合混合混合混合式式式式和和和和单片式单片式单片式单片式两种结构。两种结构。两种结构。两种结构。混合式红外焦平面阵列器件是由红外探测器与硅混合式红外焦平面阵列器件是由红外探测器与硅混合式红外焦平面阵列器件是由红外探测器与硅混合式红外焦平面阵列器件是由红外探测器与硅CCDCCD信息处信息处信息处信息处理器二部分通过镶嵌技术与互连电路组合起来，其关键技术理器二部分通过镶嵌技术与互连电路组合起来，其关键技术理器二部分通过镶嵌技术与互连电路组合起来，其关键技术理器二部分通过镶嵌技术与互连电路组合起来，其关键技术就在于探测器与就在于探测器与就在于探测器与就在于探测器与CCDCCD之间的镶嵌技术与互连电路。之间的镶嵌技术与互连电路。之间的镶嵌技术与互连电路。之间的镶嵌技术与互连电路。单片式焦平面阵列器件，通常选择具有合适光谱响应的本征单片式焦平面阵列器件，通常选择具有合适光谱响应的本征单片式焦平面阵列器件，通常选择具有合适光谱响应的本征单片式焦平面阵列器件，通常选择具有合适光谱响应的本征红外探测器材料，如红外探测器材料，如红外探测器材料，如红外探测器材料，如InSbInSb、HgCdTeHgCdTe、PbSnTePbSnTe等，在其上面等，在其上面等，在其上面等，在其上面作出光敏元及电荷读出结构。作出光敏元及电荷读出结构。作出光敏元及电荷读出结构。作出光敏元及电荷读出结构。五、电荷耦合五、电荷耦合五、电荷耦合五、电荷耦合CCDCCD成像器件的性能参数成像器件的性能参数成像器件的性能参数成像器件的性能参数1 1 1 1）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率CCDCCD的分辨率与像素数、每个像元的尺寸和像元之间的分辨率与像素数、每个像元的尺寸和像元之间的分辨率与像素数、每个像元的尺寸和像元之间的分辨率与像素数、每个像元的尺寸和像元之间的间距有关；的间距有关；的间距有关；的间距有关；当像素数一定时，转移损失率对空间分辨率的影响很当像素数一定时，转移损失率对空间分辨率的影响很当像素数一定时，转移损失率对空间分辨率的影响很当像素数一定时，转移损失率对空间分辨率的影响很大；大；大；大；若光生载流子产生在离耗尽层较远的地方时，产生横若光生载流子产生在离耗尽层较远的地方时，产生横若光生载流子产生在离耗尽层较远的地方时，产生横若光生载流子产生在离耗尽层较远的地方时，产生横向扩散，引起像素之间相互干扰，造成空间分辨率降向扩散，引起像素之间相互干扰，造成空间分辨率降向扩散，引起像素之间相互干扰，造成空间分辨率降向扩散，引起像素之间相互干扰，造成空间分辨率降低。低。低。低。2 2 2 2）暗电流）暗电流）暗电流）暗电流 暗电流主要由耗尽区的热激发载流子，以及暗电流主要由耗尽区的热激发载流子，以及暗电流主要由耗尽区的热激发载流子，以及暗电流主要由耗尽区的热激发载流子，以及SiSi和和和和SiOSiO2 2界面界面界面界面态的复合等原因造成，暗电流使势阱慢慢地被填满，态的复合等原因造成，暗电流使势阱慢慢地被填满，态的复合等原因造成，暗电流使势阱慢慢地被填满，态的复合等原因造成，暗电流使势阱慢慢地被填满，减小减小减小减小了动态范围了动态范围了动态范围了动态范围。尤其是暗电流在整个成像区不均匀时，使像。尤其是暗电流在整个成像区不均匀时，使像。尤其是暗电流在整个成像区不均匀时，使像。尤其是暗电流在整个成像区不均匀时，使像面严重畸变。面严重畸变。面严重畸变。面严重畸变。3 3 3 3）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度灵敏度主要由灵敏度主要由灵敏度主要由灵敏度主要由CCDCCD器件响应度和各种噪声因素共同决定。器件响应度和各种噪声因素共同决定。器件响应度和各种噪声因素共同决定。器件响应度和各种噪声因素共同决定。由于由于由于由于CCDCCD结构复杂，噪声源也较多，主要有结构复杂，噪声源也较多，主要有结构复杂，噪声源也较多，主要有结构复杂，噪声源也较多，主要有:光子噪声光子噪声光子噪声光子噪声;暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声;表面捕获噪声表面捕获噪声表面捕获噪声表面捕获噪声;“肥零肥零肥零肥零”噪声噪声噪声噪声;输出电路噪声等。输出电路噪声等。输出电路噪声等。输出电路噪声等。4 4 4 4）动态范围）动态范围）动态范围）动态范围动态范围是指对于光照度有较大变化时，器件仍能线性动态范围是指对于光照度有较大变化时，器件仍能线性动态范围是指对于光照度有较大变化时，器件仍能线性动态范围是指对于光照度有较大变化时，器件仍能线性响应。它的上限是由电荷最大存贮容量决定，下限仍是响应。它的上限是由电荷最大存贮容量决定，下限仍是响应。它的上限是由电荷最大存贮容量决定，下限仍是响应。它的上限是由电荷最大存贮容量决定，下限仍是噪声所限制。噪声所限制。噪声所限制。噪声所限制。5 5 5 5）光谱）光谱）光谱）光谱响应响应响应响应CCDCCD器件的光谱响应与所用材料有关。通常用器件的光谱响应与所用材料有关。通常用器件的光谱响应与所用材料有关。通常用器件的光谱响应与所用材料有关。通常用SiSi材料制材料制材料制材料制做的做的做的做的CCDCCD，其光谱响应曲线与硅光电二极管相同。，其光谱响应曲线与硅光电二极管相同。，其光谱响应曲线与硅光电二极管相同。，其光谱响应曲线与硅光电二极管相同。六、六、微透镜技术微透镜技术 微型透镜技术的主要优点为：微型透镜技术的主要优点为：微微微微透透透透镜镜镜镜阵阵阵阵列列列列覆覆覆覆盖盖盖盖CCDCCD的的的的全全全全部部部部表表表表面面面面，它它它它能能能能将将将将入入入入射射射射的的的的全全全全部部部部光光光光线线线线会会会会聚聚聚聚在在在在光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管(像像像像素素素素)上上上上，这这这这样样样样，入入入入射射射射光光光光将将将将得得得得到到到到接接接接近近近近100100的利用；的利用；的利用；的利用；使使使使用用用用微微微微透透透透镜镜镜镜技技技技术术术术可可可可缩缩缩缩小小小小光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管(像像像像素素素素)的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸，从从从从而而而而提提提提高图像传感器的灵敏度；高图像传感器的灵敏度；高图像传感器的灵敏度；高图像传感器的灵敏度；光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管(像素像素像素像素)的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管(像像像像素素素素)尺尺尺尺寸寸寸寸的的的的缩缩缩缩小小小小，结结结结电电电电容容容容会会会会减减减减小小小小，促促促促使使使使响响响响应应应应速度的提高；速度的提高；速度的提高；速度的提高；光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管(像像像像素素素素)的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸缩缩缩缩小小小小，可可可可以以以以有有有有更更更更大大大大空空空空间间间间用用用用于于于于布布布布置置置置电子元器件和传输沟道等，促使电子元器件和传输沟道等，促使电子元器件和传输沟道等，促使电子元器件和传输沟道等，促使CCDCCD整体性能的提高。整体性能的提高。整体性能的提高。整体性能的提高。七、七、电子倍增电子倍增CCD（EMCCD）采用具有雪崩放大功能的移位寄存器采用具有雪崩放大功能的移位寄存器采用具有雪崩放大功能的移位寄存器采用具有雪崩放大功能的移位寄存器可实现可实现可实现可实现10102 2 10103 3 数量级的电荷放大数量级的电荷放大数量级的电荷放大数量级的电荷放大可实现单光子计数可实现单光子计数可实现单光子计数可实现单光子计数等效输出噪声小于一个电子等效输出噪声小于一个电子等效输出噪声小于一个电子等效输出噪声小于一个电子772 2 多元及多色探测器件多元及多色探测器件随着红外技术的发展，单元探测器满足不了红外系随着红外技术的发展，单元探测器满足不了红外系随着红外技术的发展，单元探测器满足不了红外系随着红外技术的发展，单元探测器满足不了红外系统提高作用距离、响应速度及扩大视场和简化光机统提高作用距离、响应速度及扩大视场和简化光机统提高作用距离、响应速度及扩大视场和简化光机统提高作用距离、响应速度及扩大视场和简化光机扫描结构的要求，红外探测器必然由单元向多元方扫描结构的要求，红外探测器必然由单元向多元方扫描结构的要求，红外探测器必然由单元向多元方扫描结构的要求，红外探测器必然由单元向多元方向发展。向发展。向发展。向发展。双色和多色探测器能同时对双波段和多波段的辐射双色和多色探测器能同时对双波段和多波段的辐射双色和多色探测器能同时对双波段和多波段的辐射双色和多色探测器能同时对双波段和多波段的辐射信息进行处理，已在搜索、跟踪、制导系统等军事信息进行处理，已在搜索、跟踪、制导系统等军事信息进行处理，已在搜索、跟踪、制导系统等军事信息进行处理，已在搜索、跟踪、制导系统等军事上和地球资源勘查、预警、测温和森林防火等方面上和地球资源勘查、预警、测温和森林防火等方面上和地球资源勘查、预警、测温和森林防火等方面上和地球资源勘查、预警、测温和森林防火等方面得到广泛应用。得到广泛应用。得到广泛应用。得到广泛应用。一、多色探测器一、多色探测器一、多色探测器一、多色探测器多色探测器又称为多波段探测器，它是将两个以上光谱响应多色探测器又称为多波段探测器，它是将两个以上光谱响应多色探测器又称为多波段探测器，它是将两个以上光谱响应多色探测器又称为多波段探测器，它是将两个以上光谱响应不同的探测器构成叠层结构或并列结构。不同的探测器构成叠层结构或并列结构。不同的探测器构成叠层结构或并列结构。不同的探测器构成叠层结构或并列结构。在叠层结构中通常将短波元件放在长波元件的上面，中间用在叠层结构中通常将短波元件放在长波元件的上面，中间用在叠层结构中通常将短波元件放在长波元件的上面，中间用在叠层结构中通常将短波元件放在长波元件的上面，中间用透明的环氧树脂粘合，或采用同质结异