技術(shù)文章

光譜儀用CCD介紹

2011-12-26 17:32:45 來(lái)源：卓立漢光

CCD，是英文Charge Coupled Device 即電荷耦合器件的縮寫(xiě)，它是在MOS晶體管電荷存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，*突出的特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不是以電流或電壓作為信號(hào)的。

在P型或N型硅單晶的襯底上生長(zhǎng)一層厚度約為120~150nm的SiO2層，然后按一定次序沉積m行n列個(gè)金屬電極或多晶硅電極作為柵極，柵極間隙約2.5μm，于是每個(gè)電極與其下方的SiO2和半導(dǎo)體間構(gòu)成了一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)再加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了m×n位CCD（m＞1，n≥1）；當(dāng)n=1時(shí)，CCD器件被稱(chēng)為線(xiàn)陣CCD；當(dāng)n＞1時(shí),則為面陣CCD。
CCD按受光方式分為前感光和背感光兩種。前感光CCD由于正面布置著很多電極，光經(jīng)電極反射和散射，不僅使得響應(yīng)度大大減低（量子效率通常低于50%），也因?yàn)槎啻畏瓷洚a(chǎn)品的干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲線(xiàn)出現(xiàn)馬鞍形的起伏；背感光CCD由于避免了上述問(wèn)題，因而響應(yīng)度大大提高，量子效率可達(dá)到80%以上。（如圖示）

● CCD的重要性能參數(shù)：
◆ 量子效率
    量子效率是表征CCD芯片對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換本領(lǐng)的高低，是CCD的一個(gè)重要參數(shù)。
◆ 動(dòng)態(tài)范圍
    一般定義動(dòng)態(tài)范圍是滿(mǎn)阱容量與噪聲的比值。增大動(dòng)態(tài)范圍的途徑是降低暗電流和噪聲，如采用制冷型CCD，或選擇量子效率更高、像素尺寸更大的CCD。
◆ 噪聲
        CCD的噪聲包含信號(hào)噪聲、讀出噪聲和熱噪聲。
1、信號(hào)噪聲是指信號(hào)的隨機(jī)噪聲。
2、讀出噪聲是電荷轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生的噪聲，它發(fā)生在每次電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中，因此與讀取的速度有關(guān)，讀取速度越快，讀出噪聲也越高。
3、熱噪聲是溫度引起的噪聲，溫度越低，熱噪聲越小。
◆ 分辨率
    面陣CCD的分辨率一般是指空間分辨率，它主要取決于CCD芯片的象元數(shù)和像素大小。
當(dāng)CCD與光譜儀配合使用來(lái)進(jìn)行光譜攝制時(shí)，其光譜分辨率則與光譜儀的光學(xué)色散能力以及CCD芯片的像素大小都有關(guān)系。
◆ 線(xiàn)性度
    線(xiàn)性度是表征CCD芯片中的不同像元對(duì)同一波長(zhǎng)的輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)強(qiáng)度與輸入信號(hào)強(qiáng)度成比例變化的一致性。
◆ 讀出速度（幀數(shù)）
    讀出速度是用來(lái)表征單位時(shí)間內(nèi)處理數(shù)據(jù)速度的快慢的參數(shù)。讀出速度越快，單位時(shí)間內(nèi)獲得的信息越多；但同時(shí)要注意，讀出速度越快，讀出噪聲越高。
◆ 制冷方式
       CCD的制冷方式主要有半導(dǎo)體（TE）制冷和液氮制冷。