电子倍增CCD的倍增机制及其在光子计数成像的应用

摘要

电子倍增CCD采用碰撞电离机制实现了光生电荷信号在固态器件内的放大倍增，实现了器件的全固态化，是微光成像技术重点发展的关键技术之一。本论文在归纳总结普通CCD工作原理及其在微弱光成像应用方面的不足，重点分析电子倍增CCD中电荷倍增寄存器实现电荷倍增的原理，提出了电荷倍增的数学模型，讨论了微弱光环境中电荷倍增对电子倍增CCD成像的影响，创新性的提出了基于单光子响应模型的双重阈值原理，克服了常态制冷状态下暗电流噪声对电子倍增CCD单光子探测性能的影响，使得采用低成本半导体制冷的电子倍增CCD可以实现光子计数成像。本文的研究内容主要包括普通CCD工作原理、电荷倍增机制及其模型、电子倍增CCD成像模型、基于电子倍增CCD的光子计数成像原理以及电子倍增CCD的测试分析实验装置的建立和试验。通过对电子倍增CCD工作机制及其在光子计数成像的应用研究，可以为我国实现电子倍增CCD核心技术自主化提供理论依据，为尽快突破英美发达国家的技术封锁贡献力量。
　　 在CCD工作原理研究方面，本文重点对埋层沟道CCD器件内的二维电势场分布进行了研究。通过求解一维泊松方程和传输线波动方程，得到了埋层沟道CCD的二维电势场分布的解析表达式，分析了电极间中心距、电极偏置电压和电极内存储电荷容量等关键因素对二维电势场分布的影响，明确了埋层沟道CCD器件内的二维电势场分布。
　　 电荷倍增寄存器实现电荷倍增的原理研究方面，本文重点分析了电荷倍增寄存器实现电荷倍增的四个要点：强电场、大电荷势阱容量、溢出控制器和直流偏置相。同时，依据电荷倍增过程是否具备Markov性，本文将电荷倍增过程分为两种模式：高增益模式和普通增益模式。在不同模式下，分别通过求解Markov-扩散方程和Malthusian方程得到倍增寄存器的增益统计特性、增益期望和方差和增益概率密度函数。利用搭建的电子倍增CCD测试系统发现，除了倍增电极的偏置电压外，倍增电极内信号电荷包的大小也影响到电子倍增CCD的电荷倍增过程。
　　 在电子倍增CCD成像模型研究方面，本文通过建立电子倍增CCD的电荷转移模型和器件模型，得到了电子倍增CCD的系统响应函数和幅频响应特性，并分析了电荷倍增过程对成像的影响。借助于实验测试可知：尽管电荷倍增过程并没有改变电子倍增CCD的幅频响应的分布特征，但是由于电荷倍增过程提高了响应幅度，电荷倍增过程可以有效提高电子倍增CCD在低照度条件下的细节分辨力。
　　 在基于电子倍增CCD的光子计数成像研究方面，本文通过离散单光子响应模型得到了判断电子倍增CCD是否满足单光子探测的依据。借助于电子倍增CCD的单光子响应模型，讨论并分析了利用双重阈值方法实现光子事件检测的原理，并给出了幅度阈值和频率阈值选择的依据。
　　 通过单光子探测效率与误差实验，本论文分析了电子倍增CCD在光子计数成像模式下的性能。通过光子计数成像实验测试证明：采用光子计数模式，电子倍增CCD的最小响应度可以达到0.1个电荷/像素/帧，明显优于相同情形下的其他成像方式的结果。
　　 本文研究工作受到部委科研项目“XXXXXX成像技术(4040508011)”、部委科研项目“XXXXXXXXXXX成像技术研究(A2620060242)”和江苏省自然科学基金项目“光子计数成像机理及其关键技术研究(BK2008049)”的支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1微光成像技术

1.1.1真空微光成像器件的发展与现状

1.1.2微光电荷雪崩图像传感器的发展

1.2研究背景和目的

1.3创新点分析和研究内容

1.3.1本文创新点分析

1.3.2本文的研究内容

2　CCD物理基础

2.1 MOS器件的物理基础

2.1.1埋层沟道MOS器件的物理基础

2.1.2埋层沟道MOS器件的电势分布模型

2.2 CCD的噪声

2.2.1 CCD的噪声类型

2.2.2 CCD的信噪比

2.3 CCD信噪比改善途径

2.3.1 CCD信噪比改善

2.3.2电子倍增CCD概述

2.3.3信噪比评价

2.4本章小结

3 碰撞电离模型

3.1碰撞电离模型

3.1.1碰撞电离阈值

3.1.2碰撞电离率

3.1.3局部场理论

3.1.4非局部场理论

3.1.5散粒噪声抑制理论

3.2高增益模式的增益统计特性

3.2.1倍增寄存器的增益统计模型

3.2.2输出电荷数的概率密度函数

3.3普通增益模式的倍增噪声模型

3.3.1“盲区”效应模型

3.3.2模型验证

3.3.3电子倍增CCD的额外噪声因子

3.3.4倍增噪声的优化

3.4实验与分析

3.4.1电子倍增CCD的测试

3.5本章小结

4 成像模型与模拟

4.1信号电荷转移模型

4.1.1电荷转移模型

4.1.2 MTF测试与分析

4.1.3模型验证

4.2电子倍增CCD的数学模型

4.2.1电子倍增CCD噪声源分析

4.2.2成像模型

4.2.3实验与分析

4.3本章小结

5 光子计数成像原理

5.1光子计数成像原理

5.2电子倍增CCD的光子响应模型

5.2.1电子倍增CCD的连续光子响应特性

5.2.2电子倍增CCD的离散单光子响应特性

5.2.3电子倍增CCD单光子探测的实例分析

5.2.4实例计算结果

5.2.5计算结果分析

5.3单光子探测阈值原理

5.3.1阈值选取原则

5.3.2双重阈值原理

5.3.3 A类集合筛选阈值选取

5.3.4 B类集合筛选阈值选取

5.4本章小结

6.单光子探测与成像实验

6.1单光子探测实验与误差分析

6.1.1实验方案

6.1.2伪光子事件噪声分析

6.1.3光子事件探测效率分析

6.2光子计数成像实验

6.2.1双重阈值在光子计数模式中的应用

6.2.2光子计数成像实验一

6.2.3光子计数成像实验二

6.2.4光子事件频率测试实验

6.3本章小结

7结束语

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间的学术论文、专利与科研项目