圖 1：CCD 上的電荷轉(zhuǎn)移示意圖。(A) 當(dāng)傳感器暴露在光線下時(shí)，不同數(shù)量的光電子會(huì)積聚在傳感器內(nèi)的像素上。每一排電子使用正電壓向下移動(dòng)一排。(B) 通過(guò)將正電壓分散在相鄰像素(在同一列中)以將它們轉(zhuǎn)移到新像素上來(lái)移動(dòng)電子。這將一直持續(xù)到sensr，直到它們被轉(zhuǎn)移到讀出寄存器。(C) 位于底行的電子被轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。(D) 一旦進(jìn)入讀出寄存器，電子就會(huì)通過(guò)正電荷逐列水平移動(dòng)，直到它們到達(dá)輸出節(jié)點(diǎn)，在那里它們被放大和數(shù)字化。重復(fù)此過(guò)程，直到整個(gè)傳感器沒(méi)有電子。然后，傳感器可以再次暴露在光線下以獲取新圖像。

介紹

CCD是一種成像設(shè)備，用于檢測(cè)光子，將其轉(zhuǎn)換為光電子并移動(dòng)電荷。它們由蝕刻集成電路的硅表面組成。這個(gè)蝕刻表面形成一個(gè)像素陣列，收集入射的光子，產(chǎn)生光電子。這些光電子帶負(fù)電荷，因此可以沿著傳感器移動(dòng)到讀出寄存器，在那里它們可以被放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度電平。這個(gè)過(guò)程稱為電荷轉(zhuǎn)移，如圖1(A，B)所示。

當(dāng)電子從傳感器向下移動(dòng)到讀出寄存器(圖1C)時(shí)，它們會(huì)水平地從寄存器移動(dòng)到輸出節(jié)點(diǎn)(圖1D)。然后，它們被傳輸?shù)?a target="_blank">電容器、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最后傳輸?shù)斤@示圖像的成像軟件。

通過(guò)保持輸出節(jié)點(diǎn)讀取電子的順序來(lái)創(chuàng)建準(zhǔn)確的圖像，從而確定它們?cè)趥鞲衅魃系奈恢谩５?，此過(guò)程有幾個(gè)限制，這些限制會(huì)大大減慢CCD可以運(yùn)行的過(guò)程(即幀速率或每秒幀數(shù))：? 每個(gè)傳感器只有一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)：每個(gè)像素都必須通過(guò)這個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行放大和數(shù)字化。此過(guò)程會(huì)為每個(gè)像素引入讀取噪聲。

? 如果傳輸速度過(guò)快，電子會(huì)相互排斥：這可以通過(guò)限制電子傳輸?shù)乃俣葋?lái)防止，但這會(huì)進(jìn)一步延遲讀數(shù)

? 在下一次曝光和圖像的下一幀之前，需要清除整個(gè)傳感器的電子：一些 CCD 需要機(jī)械快門來(lái)阻擋光線，以便可以清除傳感器，從而引入壽命較短的緩慢移動(dòng)部件。

為了盡量減少這些速度限制，我們?cè)O(shè)計(jì)了幾種不同的CCD傳感器格式，使該過(guò)程更加高效和簡(jiǎn)化。圖 1 所示的過(guò)程稱為全畫(huà)幅 CCD，但也有幀傳輸和行間傳輸 CCD，如圖 2 所示。

圖 2：示意圖顯示了光電子從 CCD 轉(zhuǎn)移的三種常見(jiàn)方式。(A) 全畫(huà)幅，其中整個(gè)畫(huà)幅都是光敏的，任何累積的電荷都必須垂直傳輸?shù)絺鞲衅鞯淖x出寄存器中。(B) 幀傳輸，其中一半的傳感器被遮蔽(對(duì)光不敏感)，允許快速電荷轉(zhuǎn)移。 (C) 聯(lián)行傳輸，其中使用感光像素和不敏感像素的交替條帶，以實(shí)現(xiàn)快速電荷傳輸，而不會(huì)有電荷拖尾的風(fēng)險(xiǎn)。

全幀傳輸

全畫(huà)幅傳輸CCD具有完整的感光像素陣列，可以檢測(cè)入射光子。然后，傳感器上累積的電荷必須成行垂直傳輸?shù)捷敵黾拇嫫鬟M(jìn)行讀出。一旦來(lái)自一行的電荷被轉(zhuǎn)移到輸出寄存器，它必須水平移動(dòng)以單獨(dú)讀出每個(gè)像素(圖2A)。

全畫(huà)幅傳輸CCD是最簡(jiǎn)單的傳感器形式，靈敏度高;然而，它們的掃描速度很慢，因?yàn)槊恳恍卸夹枰獑为?dú)讀出，并且傳感器需要完全清除電子，然后才能獲取另一個(gè)圖像。它們還可能累積電荷拖尾，這是由于在傳輸過(guò)程中光線落在傳感器上引起的，但這可以通過(guò)使用機(jī)械快門來(lái)克服。

幀傳輸

幀傳輸CCD具有一個(gè)并行寄存器，該寄存器分為圖像收集陣列和存儲(chǔ)陣列(圖2B)。通常，這兩個(gè)陣列的尺寸相同，通常會(huì)導(dǎo)致傳感器高度增加一倍，以防止光敏傳感器面積減少。圖像陣列暴露在光線下后，整個(gè)圖像會(huì)迅速移動(dòng)到存儲(chǔ)陣列。

當(dāng)存儲(chǔ)陣列被系統(tǒng)電子設(shè)備讀取時(shí)，圖像陣列會(huì)為下一個(gè)圖像集成電荷。要使此傳輸系統(tǒng)正常工作，需要有兩組并行寄存器時(shí)鐘，它們獨(dú)立地轉(zhuǎn)移映像或存儲(chǔ)陣列上的電荷。這允許在高幀率下在沒(méi)有快門的情況下連續(xù)操作。然而，在光敏陣列和掩蔽陣列之間使用幀傳輸CCD時(shí)仍可能發(fā)生電荷拖尾，但不會(huì)達(dá)到全幀傳輸CCD的程度。

聯(lián)運(yùn)換乘

行間傳輸CCD具有像素的感光部分和掩膜部分的交替平行條帶(圖2C)。這些交替的條帶允許在圖像采集完成后立即快速移動(dòng)任何累積的電荷。由于這個(gè)過(guò)程非?？?，因此消除了電荷拖尾的可能性，并且可以快速連續(xù)拍攝圖像。

然而，由于每個(gè)像素的掩蔽使每個(gè)像素有效地變小，從而降低了傳感器的靈敏度。微透鏡陣列可用于克服這個(gè)問(wèn)題，增加每個(gè)有效像素可以捕獲的光量。

深度耗盡型 CCD

硅基CCD針對(duì)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍(400-700 nm)的光子進(jìn)行了優(yōu)化。傳統(tǒng)硅CCD無(wú)法檢測(cè)到近紅外(NIR)范圍(>700 nm)內(nèi)的波長(zhǎng)，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越長(zhǎng)，光子在產(chǎn)生信號(hào)電荷之前在硅結(jié)構(gòu)中傳播得越深。

然而，較厚的硅傳感器(稱為深度耗盡CCD傳感器)能夠檢測(cè)近紅外波長(zhǎng)和更高能量的X射線，因?yàn)樗鼈兲峁┝俗銐虻牟牧蟻?lái)產(chǎn)生這些較長(zhǎng)波長(zhǎng)的信號(hào)電荷，如圖4所示。這使得深度耗盡CCD非常適合需要可見(jiàn)光和近紅外光譜的應(yīng)用。

圖 4：深度耗盡型 CCD 由較厚的硅制成，因此能夠檢測(cè)深入硅片的近紅外波長(zhǎng)，這與典型的耗盡型 CCD 不同，后者從可見(jiàn)光中產(chǎn)生大部分信號(hào)。

HiRho CCD

標(biāo)準(zhǔn)和深度耗盡硅傳感器通常由塊狀硅襯底組成，其上生長(zhǎng)著外延層。這些外延層通過(guò)沉積工藝整合到器件中，其中摻雜的硅生長(zhǎng)到現(xiàn)有的塊狀硅襯底上(圖 5)。

硅襯底和摻雜硅層將是n型或p型硅。當(dāng)純硅有意摻雜不同的元素以控制材料的電學(xué)、結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性時(shí)，就會(huì)形成這些類型的硅。

當(dāng)純硅摻雜砷或磷時(shí)，就會(huì)形成N型硅。這些元素在其外軌道上有 5 個(gè)電子，因此能夠在硅結(jié)構(gòu)內(nèi)形成 4 個(gè)鍵，并且仍然具有自由鍵以移動(dòng)任何電流。這使得 n 型硅帶負(fù)電。P型硅摻雜了硼或鎵，兩者的外軌道上都有3個(gè)電子。因此，它們形成“空穴”，因?yàn)橄噜徆柙油廛壍乐械囊粋€(gè)電子沒(méi)有任何東西可以結(jié)合，從而產(chǎn)生正電荷。它們?nèi)匀荒軌騻鲗?dǎo)電流，因?yàn)樗鼈兛梢越邮軄?lái)自相鄰原子的電子。

在制造CCD半導(dǎo)體時(shí)，沉積的外延層必須與硅襯底不同。因此，n型外延層將沉積在p型硅襯底上，反之亦然。這樣可以產(chǎn)生具有中等電阻率且相對(duì)較薄的高質(zhì)量傳感器。

圖5：顯示氣相(即使用氣體)外延層生長(zhǎng)的示意圖。步驟1：試劑和載氣被吸附在硅襯底上。吸附是指固體捕獲溶質(zhì)、液體或氣體分子以形成薄膜。步驟2： 然后，這些元件在硅襯底表面發(fā)生成核。成核是自組裝表面的初始形成。 步驟3：任何未反應(yīng)的產(chǎn)物和載氣都會(huì)從表面解吸。步驟4：此過(guò)程一直持續(xù)到形成層為止。圖像不按比例，改編自 M. Powell [1]。

然而，對(duì)于高 QE，甚至進(jìn)一步進(jìn)入紅色區(qū)域，需要具有更厚損耗的器件。這種更深的耗盡是由器件的工作電壓和基板的電阻率決定的，較高的電壓和電阻率會(huì)產(chǎn)生更厚的耗盡區(qū)域。

HiRho傳感器由外延層組成，該外延層通過(guò)沉積工藝生長(zhǎng)到電阻率非常高的塊狀硅襯底上。這些器件還可以在更高的電壓下工作，這意味著這些器件能夠在硅內(nèi)提供更厚的耗盡區(qū)。這使得 HiRho 設(shè)備能夠檢測(cè)更深的紅色區(qū)域波長(zhǎng)，在 900 nm 處具有 >95% 的 QE。

總結(jié)

CCD是由硅襯底和沉積外延層組成的硅基傳感器。它蝕刻在硅表面上的集成電路以形成像素陣列，這些像素計(jì)算入射光子的數(shù)量并將其轉(zhuǎn)換為光電子。這些電子向下傳輸?shù)絺鞲衅?，直到它們被讀出并數(shù)字化以在成像軟件上顯示圖像。

CCD傳感器有多種格式，旨在簡(jiǎn)化光電子傳輸過(guò)程：全畫(huà)幅、幀和行間傳輸。全畫(huà)幅利用整個(gè)傳感器來(lái)收集光子，但讀出速度要慢得多，因?yàn)樵讷@取新圖像之前必須清除所有電子。

幀傳輸利用并行寄存器的優(yōu)勢(shì)，使其高度增加一倍，可快速將任何檢測(cè)到的光子轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)陣列上，而不會(huì)影響受光區(qū)域的大小。然而，這些傳感器通常更昂貴，并且容易受到偽影的影響。

行間傳輸使用交替的平行條帶，其中每個(gè)像素的一部分被遮蔽在光線下，從而實(shí)現(xiàn)快速傳輸，而不會(huì)出現(xiàn)任何電荷拖尾。然而，這減少了光敏區(qū)域，并使每個(gè)像素的集光區(qū)域更小。

波長(zhǎng)>700 nm 需要深度耗盡或 HiRho CCD 才能檢測(cè)。由于這些傳感器具有較厚的耗盡區(qū)，因此它們對(duì)近紅外波長(zhǎng)不再透明，因此能夠產(chǎn)生電荷，檢測(cè)每個(gè)近紅外光子。

審核編輯 黃宇