中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD成像技术及其在遥感中的应用第二章CCD工作原理郝志航中国科学院长春光学精密机械与物理研究所内容•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.HolstSPIE1998中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD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”中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD的性能很大程度上是由电荷图像的生成决定的，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。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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电荷的生成能带理论复习能量增加价带导带1.12eV硅的能级图共价键示意图中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通过加热或光照，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中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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:gphEEhchEph其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。2-12-2中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的生成光电效应中有一个临界波长（），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：][)(24.1meVEEhcggceVEg12.1mc11.1cc这是CCD长波限制，短波如何？2-3中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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？中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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(QE)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。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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。λ1λ2λ3λ4λ5λ6λ7收集区硅基底电极Xye-e-e-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中国科学院长春光学精密机械与物理研究所厚型前照明CCD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625m电荷的生成降低反射中国科学院长春光学精密机械与物理研究所硅片减薄到15m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Incomin...
