电子倍增CCD的倍增机理研究

发布时间：2017-11-04 22:04

  本文关键词：电子倍增CCD的倍增机理研究

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【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0.01～0.1rms/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。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386.5

【参考文献】

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1 何伟基;陈钱;屈惠明;秦剑;;电子倍增CCD的电荷倍增特性研究[J];光学学报;2008年06期

2 张灿林;陈钱;尹丽菊;;电子倍增CCD倍增要件研究[J];光子学报;2009年11期

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4 向世明;三代微光和超二代微光夜视技术的研究和开发[J];应用光学;1994年02期

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本文编号：1141304