電子倍增CCD的倍增機(jī)理研究.pdf

1、電子倍增電荷耦合器件（簡(jiǎn)稱(chēng)EMCCD），是一種新型全固態(tài)微光夜視器件。近年來(lái)英美等國(guó)在電子倍增技術(shù)上取得了很大進(jìn)步，使用全固態(tài)倍增結(jié)構(gòu)，有效提高抗輻射能力、避免強(qiáng)光損傷;使用分裂柵虛相技術(shù)，提高探測(cè)靈敏度、降低暗電流;通過(guò)深度制冷及適當(dāng)倍增實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。但是，關(guān)于EMCCD研究仍然存在著兩方面的問(wèn)題:一是EMCCD沒(méi)有完整的數(shù)學(xué)模型，不利于進(jìn)一步優(yōu)化及應(yīng)用;二是EMCCD受倍增極結(jié)構(gòu)等方面的限制，輸出的微光圖像時(shí)間分辨率不高。同時(shí)，國(guó)

2、外對(duì)該技術(shù)加強(qiáng)封鎖，使得我國(guó)自主研發(fā)工作進(jìn)展較慢，現(xiàn)階段理論研究和制作工藝等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。因此，本文從電子倍增技術(shù)的理論出發(fā)，通過(guò)仿真研究建立完整的數(shù)學(xué)模型，提出更好的技術(shù)和方案，對(duì)解決EMCCD現(xiàn)有的問(wèn)題、提高我國(guó)EMCCD倍增理論認(rèn)知水平、加快該技術(shù)在我國(guó)各領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要意義。論文主要工作分為以下幾部分:
　　首先，本文建立了電荷載流子倍增寄存器（簡(jiǎn)稱(chēng)CCM）的結(jié)構(gòu)模型。CCM采用隱埋溝道避開(kāi)界面態(tài)，外加?xùn)艠O

3、電壓與偏置電壓對(duì)CCM共同作用形成電荷傳輸溝道。通過(guò)理論計(jì)算得到溝道電勢(shì)和Z平面位置，通過(guò)建模仿真研究柵極電壓、偏置電壓、氧化層厚度、埋溝厚度、埋溝摻雜及襯底摻雜等物理參數(shù)對(duì)溝道的影響，參照埋溝器件與仿真結(jié)果，得出了最佳參數(shù)匹配，與實(shí)際器件情況符合。
　　其次，本文建立了EMCCD綜合倍增模型。除電場(chǎng)強(qiáng)度外，還有材料種類(lèi)、晶格方向以及工作溫度等因素不同程度地影響著電子倍增。在各因素獨(dú)立分析的基礎(chǔ)上，模型優(yōu)化采用倍增級(jí)數(shù)、倍增間距和

4、電場(chǎng)強(qiáng)度三個(gè)必要參數(shù)，結(jié)合CCM最佳參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與TI實(shí)際器件的倍增曲線(xiàn)吻合。
　　最后，本文建立了EMCCD有限和無(wú)限能量?jī)煞N噪聲模型，并分別推導(dǎo)出噪聲因子公式。額外噪聲因子表征了器件增益起伏程度，因此為深入研究EMCCD倍增性能，本文做了下列四項(xiàng)性能測(cè)試:(1)實(shí)測(cè)了標(biāo)稱(chēng)增益EM-DAC與真實(shí)增益的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)，結(jié)果表明兩者并非線(xiàn)性關(guān)系;(2)實(shí)測(cè)了EMCCD特有的串行增益時(shí)鐘感生電荷(簡(jiǎn)稱(chēng)CIC)，用本底噪聲測(cè)試法得到不同積分

5、時(shí)間下CIC的數(shù)量級(jí)為0.01～0.1 rms/pixel，略高于讀出噪聲;(3)根據(jù)三種EMCCD的光譜響應(yīng)計(jì)算典型景物對(duì)夜天光反射光譜與EMCCD的匹配系數(shù)，優(yōu)越的匹配性能決定了EMCCD微光觀察的高靈敏度;(4)計(jì)算了兩種EMCCD倍增圖像的均勻性，相同增益（300倍）條件下，測(cè)試均勻度指標(biāo)均在1％左右，這代表了高端EMCCD倍增圖像的增益起伏程度。
　　論文綜合以上工作，得出下列結(jié)論。(1)硅基探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)倍增增益的基礎(chǔ)，