电子倍增CCD的倍增机理研究

摘要

电子倍增电荷耦合器件（简称EMCCD），是一种新型全固态微光夜视器件。近年来英美等国在电子倍增技术上取得了很大进步，使用全固态倍增结构，有效提高抗辐射能力、避免强光损伤;使用分裂栅虚相技术，提高探测灵敏度、降低暗电流;通过深度制冷及适当倍增实现单光子探测。但是，关于EMCCD研究仍然存在着两方面的问题:一是EMCCD没有完整的数学模型，不利于进一步优化及应用;二是EMCCD受倍增极结构等方面的限制，输出的微光图像时间分辨率不高。同时，国外对该技术加强封锁，使得我国自主研发工作进展较慢，现阶段理论研究和制作工艺等方面与发达国家还有一定差距。因此，本文从电子倍增技术的理论出发，通过仿真研究建立完整的数学模型，提出更好的技术和方案，对解决EMCCD现有的问题、提高我国EMCCD倍增理论认知水平、加快该技术在我国各领域的应用有着重要意义。论文主要工作分为以下几部分:
　　首先，本文建立了电荷载流子倍增寄存器（简称CCM）的结构模型。CCM采用隐埋沟道避开界面态，外加栅极电压与偏置电压对CCM共同作用形成电荷传输沟道。通过理论计算得到沟道电势和Z平面位置，通过建模仿真研究栅极电压、偏置电压、氧化层厚度、埋沟厚度、埋沟掺杂及衬底掺杂等物理参数对沟道的影响，参照埋沟器件与仿真结果，得出了最佳参数匹配，与实际器件情况符合。
　　其次，本文建立了EMCCD综合倍增模型。除电场强度外，还有材料种类、晶格方向以及工作温度等因素不同程度地影响着电子倍增。在各因素独立分析的基础上，模型优化采用倍增级数、倍增间距和电场强度三个必要参数，结合CCM最佳参数，计算结果与TI实际器件的倍增曲线吻合。
　　最后，本文建立了EMCCD有限和无限能量两种噪声模型，并分别推导出噪声因子公式。额外噪声因子表征了器件增益起伏程度，因此为深入研究EMCCD倍增性能，本文做了下列四项性能测试:(1)实测了标称增益EM-DAC与真实增益的对应曲线，结果表明两者并非线性关系;(2)实测了EMCCD特有的串行增益时钟感生电荷(简称CIC)，用本底噪声测试法得到不同积分时间下CIC的数量级为0.01～0.1 rms/pixel，略高于读出噪声;(3)根据三种EMCCD的光谱响应计算典型景物对夜天光反射光谱与EMCCD的匹配系数，优越的匹配性能决定了EMCCD微光观察的高灵敏度;(4)计算了两种EMCCD倍增图像的均匀性，相同增益（300倍）条件下，测试均匀度指标均在1％左右，这代表了高端EMCCD倍增图像的增益起伏程度。
　　论文综合以上工作，得出下列结论。(1)硅基探测器是实现倍增增益的基础，(2)倍增寄存器使用浅掺杂突变分布，(3)选取单一载流子倍增，(4)使用单级增益、多级倍增方案。最后针对研究的不足之处，对今后电子倍增技术的发展与研究提出了展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 微光夜视发展概况

1．1．1 真空管微光夜视技术

1．1．2 全固态微光夜视器件

1．2 电子倍增CCD的组成结构及工作原理

1．2．1 电子倍增CCD与传统CCD的区别

1．2．2 电子倍增CCD的工作原理

1．2．3 EMCCD实际芯片的组成结构

1．3 研究全固态高灵敏度EMCCD雪崩倍增机理的意义

1．4 本文的主要工作以及章节安排

2 电子倍增理论基础

2．1 载流子的产生机制

2．1．1 载流子的热产生

2．1．2 电磁辐射产生载流子

2．1．3 带电粒子产生载流子

2．1．4 碰撞电离产生载流子

2．2 载流子的复合机制

2．2．1 带间发光直接复合

2．2．2 带间俄歇复合

2．2．3 复合中心的间接复合

2．3 载流子的寿命

2．3．1 直接半导体中载流子的寿命

2．3．2 间接半导体中载流子的寿命

2．4 载流子的输运理论

2．4．1 输运原理

2．4．2 输运通道

2．5 CCD基本组成单元

2．5．1 理想MOS系统

2．5．2 实际MOS系统

2．6 电荷的转移

2．7 本章小结

3 电荷载流子倍增寄存器

3．1 CCM寄存器的基本构造

3．2 CCM寄存器的实际结构

3．3 CCM沟道电势理论计算

3．4 CCM沟道的影响因素分析

3．5 CCM理论计算与仿真实验比较

3．6 本章小结

4 EMCCD的倍增模型

4．1 碰撞电离率

4．1．1 碰撞电离率模型

4．1．2 电离率测试方法

4．1．3 电离率相关因素

4．2 载流子迁移率

4．2．1 主要散射机制

4．2．2 多级迁移率模型

4．3 EMCCD简化倍增模型

4．4 影响倍增的相关因素

4．4．1 倍增电压的影响

4．4．2 工作温度的影响

4．4．3 掺杂浓度的影响

4．4．4 电极结构的影响

4．4．5 工作时间的影响

4．5 EMCCD综合倍增模型

4．6 本章小结

5 EMCCD的倍增性能研究

5．1 额外噪声因子

5．1．1 有限能量模型

5．1．2 无限能量模型

5．2 真实增益

5．3 暗信号分析

5．3．1 热生暗信号

5．3．2 时钟感生电荷

5．4 光谱匹配性能

5．4．1 照明方式与量子效率

5．4．2 量子效率与光谱匹配

5．4．3 典型景物与光谱匹配

5．5 图像均匀性比较

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

参考文献