硅基CCD：基础知识

　　图 1：CCD 上的电荷转移示意图。(A) 当传感器暴露在光线下时，不同数量的光电子会积聚在传感器内的像素上。每一排电子使用正电压向下移动一排。(B) 通过将正电压分散在相邻像素(在同一列中)以将它们转移到新像素上来移动电子。这将一直持续到sensr，直到它们被转移到读出寄存器。(C) 位于底行的电子被转移到读出寄存器中。(D) 一旦进入读出寄存器，电子就会通过正电荷逐列水平移动，直到它们到达输出节点，在那里它们被放大和数字化。重复此过程，直到整个传感器没有电子。然后，传感器可以再次暴露在光线下以获取新图像。

　　介绍

　　CCD是一种成像设备，用于检测光子，将其转换为光电子并移动电荷。它们由蚀刻集成电路的硅表面组成。这个蚀刻表面形成一个像素阵列，收集入射的光子，产生光电子。这些光电子带负电荷，因此可以沿着传感器移动到读出寄存器，在那里它们可以被放大并转换为数字灰度电平。这个过程称为电荷转移，如图1(A，B)所示。

　　当电子从传感器向下移动到读出寄存器(图1C)时，它们会水平地从寄存器移动到输出节点(图1D)。然后，它们被传输到电容器、放大器和模数转换器，最后传输到显示图像的成像软件。

　　通过保持输出节点读取电子的顺序来创建准确的图像，从而确定它们在传感器上的位置。但是，此过程有几个限制，这些限制会大大减慢CCD可以运行的过程(即帧速率或每秒帧数)：• 每个传感器只有一个输出节点：每个像素都必须通过这个节点，进行放大和数字化。此过程会为每个像素引入读取噪声。

　　• 如果传输速度过快，电子会相互排斥：这可以通过限制电子传输的速度来防止，但这会进一步延迟读数

　　• 在下一次曝光和图像的下一帧之前，需要清除整个传感器的电子：一些 CCD 需要机械快门来阻挡光线，以便可以清除传感器，从而引入寿命较短的缓慢移动部件。

　　为了尽量减少这些速度限制，我们设计了几种不同的CCD传感器格式，使该过程更加高效和简化。图 1 所示的过程称为全画幅 CCD，但也有帧传输和行间传输 CCD，如图 2 所示。

　　图 2：示意图显示了光电子从 CCD 转移的三种常见方式。(A) 全画幅，其中整个画幅都是光敏的，任何累积的电荷都必须垂直传输到传感器的读出寄存器中。(B) 帧传输，其中一半的传感器被遮蔽(对光不敏感)，允许快速电荷转移。 (C) 联行传输，其中使用感光像素和不敏感像素的交替条带，以实现快速电荷传输，而不会有电荷拖尾的风险。

　　全帧传输

　　全画幅传输CCD具有完整的感光像素阵列，可以检测入射光子。然后，传感器上累积的电荷必须成行垂直传输到输出寄存器进行读出。一旦来自一行的电荷被转移到输出寄存器，它必须水平移动以单独读出每个像素(图2A)。

　　全画幅传输CCD是最简单的传感器形式，灵敏度高;然而，它们的扫描速度很慢，因为每一行都需要单独读出，并且传感器需要完全清除电子，然后才能获取另一个图像。它们还可能累积电荷拖尾，这是由于在传输过程中光线落在传感器上引起的，但这可以通过使用机械快门来克服。

　　帧传输

　　帧传输CCD具有一个并行寄存器，该寄存器分为图像收集阵列和存储阵列(图2B)。通常，这两个阵列的尺寸相同，通常会导致传感器高度增加一倍，以防止光敏传感器面积减少。图像阵列暴露在光线下后，整个图像会迅速移动到存储阵列。

　　当存储阵列被系统电子设备读取时，图像阵列会为下一个图像集成电荷。要使此传输系统正常工作，需要有两组并行寄存器时钟，它们独立地转移映像或存储阵列上的电荷。这允许在高帧率下在没有快门的情况下连续操作。然而，在光敏阵列和掩蔽阵列之间使用帧传输CCD时仍可能发生电荷拖尾，但不会达到全帧传输CCD的程度。

　　联运换乘

　　行间传输CCD具有像素的感光部分和掩膜部分的交替平行条带(图2C)。这些交替的条带允许在图像采集完成后立即快速移动任何累积的电荷。由于这个过程非常快，因此消除了电荷拖尾的可能性，并且可以快速连续拍摄图像。

　　然而，由于每个像素的掩蔽使每个像素有效地变小，从而降低了传感器的灵敏度。微透镜阵列可用于克服这个问题，增加每个有效像素可以捕获的光量。

　　深度耗尽型 CCD

　　硅基CCD针对可见光波长范围(400-700 nm)的光子进行了优化。传统硅CCD无法检测到近红外(NIR)范围(>700 nm)内的波长，因为波长越长，光子在产生信号电荷之前在硅结构中传播得越深。

　　然而，较厚的硅传感器(称为深度耗尽CCD传感器)能够检测近红外波长和更高能量的X射线，因为它们提供了足够的材料来产生这些较长波长的信号电荷，如图4所示。这使得深度耗尽CCD非常适合需要可见光和近红外光谱的应用。

　　图 4：深度耗尽型 CCD 由较厚的硅制成，因此能够检测深入硅片的近红外波长，这与典型的耗尽型 CCD 不同，后者从可见光中产生大部分信号。

　　HiRho CCD

　　标准和深度耗尽硅传感器通常由块状硅衬底组成，其上生长着外延层。这些外延层通过沉积工艺整合到器件中，其中掺杂的硅生长到现有的块状硅衬底上(图 5)。

　　硅衬底和掺杂硅层将是n型或p型硅。当纯硅有意掺杂不同的元素以控制材料的电学、结构和光学特性时，就会形成这些类型的硅。

　　当纯硅掺杂砷或磷时，就会形成N型硅。这些元素在其外轨道上有 5 个电子，因此能够在硅结构内形成 4 个键，并且仍然具有自由键以移动任何电流。这使得 n 型硅带负电。P型硅掺杂了硼或镓，两者的外轨道上都有3个电子。因此，它们形成“空穴”，因为相邻硅原子外轨道中的一个电子没有任何东西可以结合，从而产生正电荷。它们仍然能够传导电流，因为它们可以接受来自相邻原子的电子。

　　在制造CCD半导体时，沉积的外延层必须与硅衬底不同。因此，n型外延层将沉积在p型硅衬底上，反之亦然。这样可以产生具有中等电阻率且相对较薄的高质量传感器。

　　图5：显示气相(即使用气体)外延层生长的示意图。步骤1：试剂和载气被吸附在硅衬底上。吸附是指固体捕获溶质、液体或气体分子以形成薄膜。步骤2： 然后，这些元件在硅衬底表面发生成核。成核是自组装表面的初始形成。 步骤3：任何未反应的产物和载气都会从表面解吸。步骤4：此过程一直持续到形成层为止。图像不按比例，改编自 M. Powell [1]。

　　然而，对于高 QE，甚至进一步进入红色区域，需要具有更厚损耗的器件。这种更深的耗尽是由器件的工作电压和基板的电阻率决定的，较高的电压和电阻率会产生更厚的耗尽区域。

　　HiRho传感器由外延层组成，该外延层通过沉积工艺生长到电阻率非常高的块状硅衬底上。这些器件还可以在更高的电压下工作，这意味着这些器件能够在硅内提供更厚的耗尽区。这使得 HiRho 设备能够检测更深的红色区域波长，在 900 nm 处具有 >95% 的 QE。

　　总结

　　CCD是由硅衬底和沉积外延层组成的硅基传感器。它蚀刻在硅表面上的集成电路以形成像素阵列，这些像素计算入射光子的数量并将其转换为光电子。这些电子向下传输到传感器，直到它们被读出并数字化以在成像软件上显示图像。

　　CCD传感器有多种格式，旨在简化光电子传输过程：全画幅、帧和行间传输。全画幅利用整个传感器来收集光子，但读出速度要慢得多，因为在获取新图像之前必须清除所有电子。

　　帧传输利用并行寄存器的优势，使其高度增加一倍，可快速将任何检测到的光子转移到存储阵列上，而不会影响受光区域的大小。然而，这些传感器通常更昂贵，并且容易受到伪影的影响。

　　行间传输使用交替的平行条带，其中每个像素的一部分被遮蔽在光线下，从而实现快速传输，而不会出现任何电荷拖尾。然而，这减少了光敏区域，并使每个像素的集光区域更小。

　　波长>700 nm 需要深度耗尽或 HiRho CCD 才能检测。由于这些传感器具有较厚的耗尽区，因此它们对近红外波长不再透明，因此能够产生电荷，检测每个近红外光子。

审核编辑 黄宇