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1、第 16卷 第 10 期2008 年 10月 光学 精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.16 No.10 Oct.2008 收稿日期:2008201203;修订日期:2008203213.基金项目:国防科工委国防基础科研基金资助项目(No.A2620060242);中国兵器工业集团公司装备预研基金资助项目(No.4040508011)文章编号 10042924X(2008)1021977205基于电子倍增 CCD 噪声特性的最佳工作模式张闻文,陈 钱(南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094)摘要:对电子倍增 CCD的噪声特
2、性进行了研究,并在此基础上选择最佳工作模式。介绍了反转和非反转模式的工作原理,分析了不同工作模式下暗电流与时钟感生电荷的表现并进行了对比。以工作温度、积分时间和垂直转移次数为参量,建立了最佳工作模式的数学模型,求解出最佳工作模式的积分临界点,确定了电子倍增 CCD 的最佳工作模式。最后,结合具体器件的参数模拟了最佳工作模式下电子倍增 CCD 的噪声特性曲线。仿真结果表明:室温下(293 K)的积分临界点为 1.6 Ls。当积分时间 1.6 Ls 时,最佳工作模式为反转模式;当积分时间 1.6 Ls 时,最佳工作模式为非反转模式。研究结果为电子倍增 CCD 工作模式的选取提供了切实可靠的理论依据
3、。关 键 词:微光成像;最佳工作模式;噪声分析;电子倍增 CCD中图分类号:TN386.5;TN152 文献标识码:AOptimum operation mode based onnoise characteristics of electron multiplying CCDZHANG Wen2wen,CHEN Qian(School of Electronic Engineering&Optoelectronic Technology,Nanj ing University ofScience&Technology,Nanjing 210094,China)Abstract:In orde
4、r to obtain the best work state and optimum imaging quality for an electron multipl2ying CCD,the noise characteristics of electron multiplying CCDs are studied and used to select the op2timum operation mode.The operation principles of inverted mode and non2inverted mode are intro2duced.The performan
5、ce of dark current and clock induced charge is analyzed and compared with dif2ferent operation modes.A mathematical model of optimum operation mode is established by takingoperation temperature,integration time and total number of parallel transfers as parameters.Then,integration critical point is c
6、alculated to determine the optimum operation mode.Finally,the curve ofnoise performance in optimum operation mode is simulated according to the parameters of practical de2vices.The simulation results indicate that the integration critical point is 1.6 Ls at room temperature(293 K).When integration t
7、ime is longer than 1.6 Ls,the inverted mode is optimum operation mode,and when integration time is less than 1.6 Ls,the non2inverted mode is preferable.The results offer areliable theoretical basis for the operation mode selection of electron multiplying CCDs and provide avital instructional signifi
8、cance for the application and design of electron multiplying CCDs.Key words:low light level imaging;optimum operation mode;noise analysis;electron multiplyingCCD1 引 言 电子倍增 CCD 的出现是光电成像探测领域的重大突破,它通过嵌入可控的增益寄存器使信号载流子在转移过程中得到线性放大倍增,从而实现了全固态成像,显著提高了微光成像器件的性能,在军事侦察、天文观测、生物医学等领域具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景129。成像器件都有其
9、对应的工作模式,根据器件的设计和制造工艺,应选取相应的工作模式使器件工作性能最佳。为抑制暗电流噪声,现有的电子倍增 CCD 均工作在反转模式(Inverted Mode,IMO)下,但是该模式下时钟感生电荷明显增大,当电子倍增 CCD 工作在高增益时会出现明显的尖峰,降低了成像质量。为了解决这一矛盾,本文研究了不同工作模式下电子倍增 CCD 的暗电流和时钟感生电荷特性,建立了电子倍增 CCD 最佳工作模式的函数模型,以积分时间为临界条件确定了电子倍增 CCD的最佳工作模式,最后结合具体参数,模拟了最佳工作模式下器件的噪声性能。研究结果为电子倍增 CCD 工作模式的选取提供了切实可靠的理论依据,
10、对电子倍增 CCD 的应用和设计具有重要的指导意义。2 工作模式 电子倍增 CCD 的工作模式分为反转(In2verted Mode,IMO)和 非 反 转(Non2InvertedMode,NIMO)两种。反转模式,又叫 MPP 模式10211,如图 1(a)所示。在积分周期内栅压为负电压,埋沟信道反转,势阱由深变浅,当栅压达到某一负值后,势阱不再随栅压的降低而变化,此时表面势钳位于衬底电势,来自沟阻的空穴填满了Si2SiO2表面态,衬底中热运动产生的电子无法跃迁到表面,消除了表面暗电流。反转模式下,用来收集信号电荷的势阱通过注入势垒实现,即在某相电极下注入硼离子形成势垒,势垒之间构成势阱。
11、非反转模式,即普通模式,如图 1(b)所示。栅压在积分周期内为正电压,埋沟信道不发生反转,表面态完全耗尽,暗电流最大,各相时钟加不同的栅压形成势阱差,收集信号电荷。(a)反转模式下电势分布示意图(a)Distribution of electric potential in IMO(b)非反转模式下电势分布示意图(b)Distributions of electric potential in NIMO图 1 电势分布示意图Fig.1 Distributions of electric potential 图 1 中,VG为栅压,VFB为平带电压,Vox为氧化层电压,S为表面势,VG2 VG1
12、 0,dox为氧化层厚度,xj为埋沟注入深度,ND为施主浓度,NA为受主浓度。3 不同工作模式下的噪声特性3.1 暗电流暗电流是由半导体内部载流子无规则的热运动产生的,不仅引起附加的散粒噪声,还形成一个暗信号图像,叠加到光信号图像上,引起固定图像噪声。由于工艺原因或半导体材料的缺陷使个别处形成暗电流尖峰,在图像上出现白斑12。电1978 光学 精密工程 第 16卷 子倍增 CCD 的暗电流分为表面暗电流和体内暗电流,体内暗电流又包括扩散电流和耗尽电流,其中表面暗电流是电子倍增 CCD 暗电流的主要来源。无论是表面暗电流还是体内暗电流都明显受温度影响,而且和积分时间成正比13。反转模式下,表面暗
13、电流被抑制,此时以体内暗电流为主。T 300 K 时,主要是扩散电流:DB=CTnexp(-Eg/kBT),(2)240 K T 300 K 时,既有耗尽电流,也有扩散电流:DB=3.3106T2exp(-9 080/T),(3)其中,C为常数,T 为器件工作温度,Eg为禁带宽度,kB为波尔兹曼常数,nI 1,3。非反转模式下,表面暗电流一般要比体内暗电流高两个数量级,此时暗电流主要是表面暗电流:DS=122T3exp(-6 400/T),(4)其中,T 为器件工作温度。从图 2 可以看出15,非反转模式下的暗电流明显高于反转模式,因此,器件工作在反转模式有利于降低暗电流,减小噪声。图 2 反
14、转模式和非反转模式下暗电流关系曲线Fig.2 Dark currents in IMO and NIMO3.2 时钟感生电荷时钟感生电荷(Clock2Induced Charge,CIC)是信号电荷在转移过程中碰撞电离产生的,因此与积分时间无关16。所有的 CCD 都会产生时钟感生电荷,大约 100 次转移才会产生一个电子,概率非常小,容易被读出噪声淹没,但是在电子倍增CCD 中,高增益使得单个电子也会形成明显的尖峰,不能和普通 CCD 一样忽略。时钟感生电荷的大小跟很多因素有关,最主要的是时钟偏压的大小,即器件的工作模式是反转还是非反转,另外还有转移频率、时钟边缘等。3.2.1 时钟感生电荷
15、与工作模式的关系电子倍增 CCD 正常工作时,成像区和存储区的时钟幅度应超过 11.5 V,这样有利于信号电荷完全转移。反转模式下,时钟感生电荷的典型值为 110-4e/pixel/transfer,非反转模式下,时钟感生电荷的典型值为 3 10-6e/pixel/transfer,如图 3 所示,时钟感生电荷随着时钟幅度的增加而变大,非反转模式有利于减小时钟感生电荷。图 3 反转和非反转模式下时钟感生电荷的关系曲线Fig.3 Clock2induced charge in IMO and NIMO3.2.2 时钟感生电荷与垂直转移频率的关系时钟感生电荷与垂直转移的频率成反比,因此,为了减小时
16、钟感生电荷,垂直转移频率应尽可能大,器件工作时应尽量达到数据手册上的最大值。3.2.3 时钟感生电荷与时钟上升沿的关系成像区和存储区的时钟上升沿越陡,时钟感生电荷越大,也就是说,时钟感生电荷与时钟上升沿时间成反比。因此,时钟的上升沿和下降沿时间都不能太短,一般 200 300 ns 能使时钟感生电荷值最小。3.2.4 时钟感生电荷与温度的关系目前研究表明,时钟感生电荷与温度无关。图 4 为反转模式下,时钟感生电荷与温度和时钟幅度的关系曲线,在 223 258 K 这个温度区间内,时钟感生电荷基本不受温度影响。1979第 10期 张闻文,等:基于电子倍增 CCD 噪声特性的最佳工作模式图 4 反
17、转模式下时钟感生电荷与温度和时钟幅度的曲线Fig.4 Curves of clock 2induced charge in different temper2atures and clock amplitudes in IMO4 最佳工作模式 通过上述分析,可以发现非反转模式下暗电流十分明显,反转模式下时钟感生电荷较大。为了让电子倍增 CCD获得最佳工作性能,要求暗电流与时钟感生电荷的总和最小,该模式即为电子倍增 CCD 的最佳工作模式。暗电流主要受温度和积分时间影响,时钟感生电荷则与垂直转移次数有关,因此,最佳工作模式是关于温度、时间和转移次数的函数:D(T,t,m)=DD(T)t+mDC,
18、(5)其中,T 为器件工作温度,t 为积分时间,m 为垂直转移次数,DD为暗电流,DC为时钟感生电荷。反转模式下,DI(T,t,m)=DDI(T)t+mDCI,(6)非反转模式下,DN(T,t,m)=DDN(T)t+mDCN.(7)假设积分时间为 t0时,DI=DN,可将 t0称为最佳模式积分临界点。t0=mDCI(T)-DCN(T)DDN(T)-DDI(T).(8)以英国 E2V 公司的电 子倍增 CCD65 为例15,时钟感生电荷可近似看作常数,用相应模式下的典型值代替。将式(3)、(4)分别代入式(6)、(7),绘出 DI、DN和 t0的关系曲线,如图 5 和图 6 所示。从图 5 可以
19、看出,t0=1.6 Ls 时,DI=DN。t t0时,DI DN,最佳工作模式为反转模式。t t0时,DN 1.6 Ls 时,最佳工作模式为反转模式;当积分时间 1.6 Ls1980 光学 精密工程 第 16卷 时,最佳工作模式为非反转模式。该方法为电子倍增 CCD 工作模式的选取提供了切实可靠的理论依据,用户可以根据不同的工作环境和应用范围选择合适的工作模式,以便获得最佳性能,同时还有助于深入理解电子倍增 CCD 的工作状态并设计高性能的器件。参考文献:1 DENVIR D,CONROY E.Electron multiplying CCDsJ.SP IE,2003,4877:55268.2
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27、ttp:/ 2357/datasheets2and 2technical 2notes.cfm.15 JERRAM P,POOL P,BELL R,etal.The LLLCCD:low light imaging without the need for an intensifierJ.SPIE,2001,4306:1782186.16 L3VisionTMSensors)CCD65 series ceramic pack OL.http:/ 2357/datasheets 2and2technical 2notes.cfm作者简介:张闻文(1981-),女,江苏无锡人,博士研究生,主要从事微光图像探测与成像器件的研究。E2mail:导师简介:陈 钱(1964-),男,江苏无锡人,教授,博士生导师,/长江学者奖励计划0特聘教授,主要从事光电信息探测与图像处理的研究。E2mail:1981第 10期 张闻文,等:基于电子倍增 CCD 噪声特性的最佳工作模式