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朱振刚 日记

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电荷注入检测器(CID)  

2013-08-25 19:41:30|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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电荷注入检测器(CID),电荷注入检测器原理

CID检测器发明于1973年。CID 读出方法是将电荷在检测单元内部移动,检测电压的变化。

第一节        CID的结构

电荷注入检测器(CID) - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

图4.3.1是 CID的一个感光单元。

说明:
poly1,poly2 : 金属栅极。 
斜线区 : N型掺杂硅层 ; 直线区: P型掺杂硅衬底。
比较CCD的MOS电容构成原理,图4.3.1可以看成两个MOS电容,注,图中并没有明确画出SiO2(二氧化硅)绝缘层,在poly1和poly2下都有绝缘层,以与N型掺杂硅层隔离。
在图4.3.1中,第一个MOS电容 C1:poly1和N型硅掺杂层为电极,SiO2为介质。
第二个MOS电容 C2: poly2和N型硅掺杂层为电极,SiO2为介质。
这两个MOS电容C1和C2可以看成串联在一起,设两个MOS电容串联后的等效电容值为C。
C值在CID制成后,电容值可以认为是常数。
根据电容存储的荷 Q = C* V ,通过测量V值,就可以测得感光单元中存储的电荷量。
CCD的检测原理是把光生电荷转移出去再检测,由于电荷转移出去后,MOS电容中不再有电荷,所以叫破坏型读出方式。
CID是在每个检测单元上直接测,测量完毕后,光生电荷仍然存储在MOS电容中(可以参看下面的检测过程),所以叫非破坏型读出方式。

CID 检测光生电荷的过程



电荷注入检测器(CID) - zhuzhengang666 - 朱振刚日记
电荷注入检测器(CID) - zhuzhengang666 - 朱振刚日记
注:图4.3.1,图4.3.2,图4.3.3,图4.3.4,图4.3.5来自文献7

说明:
+号:代表光生空穴(还记得CCD的光生电子吗?)。
注:并不是说CID都是光生空穴,CCD都是光生电子。N型掺杂区产生光生空穴,P型掺杂区产生光生电子,就是说跟半导体材料有关。
sense(-) = -5V collection(-) = -7V。 sense(+)和collection(+)都代表正电压,文献中没给出具体电压值。

测量过程:
检测步骤是图4.3.2----> 图4.3.3 ------>图4.3.4----->图4.3.5。
感光单元在光辐射的作用下,在N型掺杂硅层中形成光生空穴(就是正电荷)。图2是电荷积累的过程,poly2接-7V,poly1接-5V电压,所以,空穴在poly2下积累起来。接着,poly1接入放大器输入端,测量零位电压V0,如图4.3.3,然后,poly2切换到collection(+)上,光生空穴转移到poly1下,测得此时的信号电压V1,通过测量V1-V0之差,就可以精确测量光生空穴的数量。信号电压测量后,此时poly1和poly2的位置如图4.3.4,如果此时切换poly1到sense(-),poly1切换到collection(-),光生空穴就又转移到poly2下(从图4.3.4直接到图4.3.2,或者如图4.3.6中C. 2nd voltage sample 到A.integrate),这样,光生空穴可在poly1和poly2之间进行n次反复转移测量(图4.3.2,图4.3.3,图4.3.4的循环),从而将噪声大大降低,改善了信噪比。在图4.3.4的状态下,如果不需要再次测量光生空穴量,那么poly1切换到sense(+), poly2保持在collection(+)位置,则光生空穴转移入P型掺杂硅衬底中,如图4.3.5(或图4.3.6中的D.inject),此时感光单元又恢复了初始状态,可以进入新一轮的光电转换过程。


再附上另一个不错的CID工作原理图

电荷注入检测器(CID) - zhuzhengang666 - 朱振刚日记
比较一下图4.3.6和图4.3.2、4.3.3、4.3.4、4.3.5,可以发现原理是一样的。

电荷注入检测器(CID) - zhuzhengang666 - 朱振刚日记
如前面所述, Q = C*V, △V = V1 - V2 , ,所以就能计算出电荷C。 
也许会说,是不是只测量V1或V2就能计算出光生电荷量Q呢,我认为是可以的,测量V1和V2的差值可以更精确的计算光生电荷量Q。

 CID工作原理的形象比喻


电荷注入检测器(CID) - zhuzhengang666 - 朱振刚日记
如图4.3.8 ,在每个4X4的栅格中,都放着一个量筒和一个烧杯。
雨水------ 光辐射
烧杯------ MOS电容
烧杯中雨水------- 积累的光生电荷
量筒 -------- 测量光生电荷

电荷注入检测器(CID) - zhuzhengang666 - 朱振刚日记

4.3.9中每个4X4栅格的灰色背景,可以理解为图4.3.2、4.3.3、4.3.4、4.3.5中的P型掺杂硅衬底。
如图4.3.9中的2号栅格,测量光生电荷的过程可以在本格内完成,不需要转移。图4.3.3相当于,将烧杯中的水倒入量筒,如果需要多次测量光生电荷,把量筒中的雨水再倒入烧杯中,如此循环。注意下图4.3.9中的6号栅格,雨水泼洒在灰色地带(P型掺杂硅衬底),就是图4.3.5所说的积累空穴扩散入衬底,或者图4.3.6中的D.inject , 此时烧杯和量筒都空了,又可以接收新的雨水。

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