電子倍增CCD的倍增機理研究.pdf

1、電子倍增電荷耦合器件（簡稱EMCCD），是一種新型全固態(tài)微光夜視器件。近年來英美等國在電子倍增技術(shù)上取得了很大進步，使用全固態(tài)倍增結(jié)構(gòu)，有效提高抗輻射能力、避免強光損傷;使用分裂柵虛相技術(shù)，提高探測靈敏度、降低暗電流;通過深度制冷及適當倍增實現(xiàn)單光子探測。但是，關(guān)于EMCCD研究仍然存在著兩方面的問題:一是EMCCD沒有完整的數(shù)學模型，不利于進一步優(yōu)化及應(yīng)用;二是EMCCD受倍增極結(jié)構(gòu)等方面的限制，輸出的微光圖像時間分辨率不高。同時，國

2、外對該技術(shù)加強封鎖，使得我國自主研發(fā)工作進展較慢，現(xiàn)階段理論研究和制作工藝等方面與發(fā)達國家還有一定差距。因此，本文從電子倍增技術(shù)的理論出發(fā)，通過仿真研究建立完整的數(shù)學模型，提出更好的技術(shù)和方案，對解決EMCCD現(xiàn)有的問題、提高我國EMCCD倍增理論認知水平、加快該技術(shù)在我國各領(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（簡稱CCM）的結(jié)構(gòu)模型。CCM采用隱埋溝道避開界面態(tài)，外加?xùn)艠O

3、電壓與偏置電壓對CCM共同作用形成電荷傳輸溝道。通過理論計算得到溝道電勢和Z平面位置，通過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，與實際器件情況符合。
　　其次，本文建立了EMCCD綜合倍增模型。除電場強度外，還有材料種類、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。在各因素獨立分析的基礎(chǔ)上，模型優(yōu)化采用倍增級數(shù)、倍增間距和

4、電場強度三個必要參數(shù)，結(jié)合CCM最佳參數(shù)，計算結(jié)果與TI實際器件的倍增曲線吻合。
　　最后，本文建立了EMCCD有限和無限能量兩種噪聲模型，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，本文做了下列四項性能測試:(1)實測了標稱增益EM-DAC與真實增益的對應(yīng)曲線，結(jié)果表明兩者并非線性關(guān)系;(2)實測了EMCCD特有的串行增益時鐘感生電荷(簡稱CIC)，用本底噪聲測試法得到不同積分

5、時間下CIC的數(shù)量級為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)計算典型景物對夜天光反射光譜與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)計算了兩種EMCCD倍增圖像的均勻性，相同增益（300倍）條件下，測試均勻度指標均在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)硅基探測器是實現(xiàn)倍增增益的基礎(chǔ)，