其它光电探测器.ppt
《其它光电探测器.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《其它光电探测器.ppt(50页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、。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
7、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
8、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
9、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
10、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0.11
11、0s0.110s,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。
12、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
13、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
14、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
15、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。
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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。
25、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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 其它 光电 探测器
限制150内