CN109462733B - 一种高灵敏度双倍增内线转移ccd - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电探测及成像技术领域，具体为一种高灵敏度双倍增内线转移CCD，所述双倍增内线转移CCD包括雪崩光敏二极管、垂直CCD信道、移位寄存器以及电子倍增结构；入射光子进入所述高灵敏度双倍增内线转移CCD，被雪崩光敏二极管吸收，通过对雪崩光敏二极管产生雪崩击穿，完成第一次的信号倍增；第一次倍增后的信号通过外部施加的转移脉冲转移到各个垂直CCD信道中，分级转移到移位寄存器中，通过外部施加的倍增电压，信号电荷由移位寄存器转移到电子倍增结构中，将信号电荷进行倍增，完成第二次的信号倍增。本发明能够通过前后双倍增，从而将CCD的灵敏度由10‑4Lx提升到10‑5Lx量级。

Description

一种高灵敏度双倍增内线转移CCD
技术领域
本发明属于光电探测及成像领域，具体为一种高灵敏度双倍增内线转移CCD。
背景技术
在高灵敏度CCD方面，目前的主流器件为电子倍增CCD(EMCCD)，主要采用单倍增的方式在器件的转移后端设计电子倍增结构，实现对信号的放大倍增，目前EMCCD的等效噪声电子可控制在1个电子以内，探测灵敏度可达10-3-10-4Lx。
经过多年的发展，EMCCD技术已经成熟，倍增增益可达1000倍以上，探测灵敏度能够达到10-4Lx。但目前类似于EMCCD这类只在后端单倍增的器件的探测灵敏度上已接近极限，若要进一步提高器件的探测灵敏度，需要由现在单倍增的器件向双倍增器件发展，通过前后双倍增，从而将CCD的灵敏度由10-4Lx提升到10-5Lx量级。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提出了高灵敏度双倍增内线转移CCD的创新处在于设计了雪崩光敏二极管和电子倍增结构，可实现对信号的两次放大倍增，进而大大提高CCD的感光灵敏度。其中雪崩光敏二极管位于内线转移CCD的光敏像元内，其倍增倍数可通过雪崩光敏二极管制作时的注入浓度以及工作时所施加的雪崩电压来控制；电子倍增结构的倍增倍数可通过所设计的倍增级数和外部所施加的倍增电压来控制。器件总的倍增倍数则由这两部分倍增倍数叠加决定。
本发明提出的一种高灵敏度双倍增内线转移CCD，其实现方案包括：所述双倍增内线转移CCD包括雪崩光敏二极管、垂直CCD信道、移位寄存器以及电子倍增结构；入射光子进入所述高灵敏度双倍增内线转移CCD，被雪崩光敏二极管吸收，通过对雪崩光敏二极管产生雪崩击穿，完成第一次的信号倍增；第一次倍增后的信号通过外部施加的转移脉冲转移到各个垂直CCD信道中，分级转移到移位寄存器中，通过外部施加的倍增电压，信号电荷由移位寄存器转移到电子倍增结构中，将信号电荷进行倍增，完成第二次的信号倍增。
优选的，所述内线转移CCD还包括输出放大器；第二次倍增后的信号电荷通过输出放大器将其转换成输出电压输出，即完成一次信号的完整输出。
优选的，所述雪崩光敏二极管呈阵列排列，每一列雪崩光敏二极管的左侧安装有一个垂直CCD信道；所述垂直CCD信道的长度略长于所述雪崩光敏二极管的列高。
优选的，所述分级转移到移位寄存器中包括每一个垂直CCD信道根据其所在雪崩光敏二极管阵列中的位置，分级将信号转移到移位寄存器中。
本发明的有益效果：
1、现有EMCCD的灵敏度大约在10-4Lx，而本发明的双倍增内线转移CCD在感光像元前端能够对入射光子进行一次倍增，倍增倍数可以控制在20-30倍，可以抑制后端EMCCD倍增时的等效噪声。
2、器件再将感光像元前端倍增的信号转移到后端利用EMCCD进行再一次倍增，可以将器件的感光灵敏度提升到10-5Lx量级。
3、本发明极大地增强器件的感光灵敏度，该技术对于单光子探测等对灵敏度要求极高的领域有积极的作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中，1、雪崩光敏二极管，2、垂直CCD信道，3、移位寄存器，4、电子倍增结构，5、输出放大器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，本发明的一种高灵敏度双倍增内线转移CCD，包括雪崩光敏二极管、垂直CCD信道、移位寄存器以及电子倍增结构；入射光子进入所述高灵敏度双倍增内线转移CCD，被雪崩光敏二极管吸收，通过对雪崩光敏二极管产生雪崩击穿，完成第一次的信号倍增；第一次倍增后的信号通过外部施加的转移脉冲转移到各个垂直CCD信道中，分级转移到移位寄存器中，通过外部施加的倍增电压，信号电荷由移位寄存器转移到电子倍增结构中，将信号电荷进行倍增，完成第二次的信号倍增。
所述雪崩光敏二极管呈阵列排列，每一列雪崩光敏二极管的左侧安装有一个垂直CCD信道；所述垂直CCD信道的长度略长于所述雪崩光敏二极管的列高。
其中，本发明的垂直CCD信道为：垂直方向上的CCD信号通道，用于接收雪崩光敏二极管所产生的信号，并将信号沿信道转移到移位寄存器中。
所述分级转移到移位寄存器中包括每一个垂直CCD信道根据其所在雪崩光敏二极管阵列中的位置，分级将信号转移到移位寄存器中。
实施例2
本发明在实施例1的基础上，还增加了输出放大器；第二次倍增后的信号电荷通过输出放大器将其转换成输出电压输出，即完成一次信号的完整输出。
本发明的工作过程包括：入射光子进入高灵敏度双倍增内线转移CCD内，首先在雪崩光敏二极管1内被吸收，转变为电子空穴对，空穴经由衬底导走，剩下的电子即为信号电子。通过对雪崩光敏二极管施加电压，使雪崩光敏二极管产生雪崩击穿，将其内部形成的信号电子进行雪崩倍增，即完成第一次的信号倍增。倍增后的信号通过外部施加的转移脉冲转移到垂直CCD信道2中。再一级一级转移到移位寄存器3中，在移位寄存器3的后端设计有电子倍增结构，当信号电荷由位寄存器转移到电子倍增结构中时，通过外部施加的倍增电压，可将信号电荷进行倍增，即完成信号的第二次倍增。倍增后的信号电荷通过输出放大器5将其转换成输出电压输出，即完成一次信号的完整输出。
本发明的CCD的创新处在于在CCD中同时设计了雪崩光敏二极管倍增结构和电子倍增结构，可实现对信号的两次倍增放大，进而大大提高CCD的感光灵敏度。
实施例3
在实施例1或实施例2的基础上，本实施例主要强调两次倍增的倍数是如何实现的，其中，雪崩光敏二极管的倍增倍数可通过雪崩光敏二极管制作时的注入浓度以及工作时所施加的雪崩电压来控制；电子倍增结构的倍增倍数可通过所设计的倍增级数和外部所施加的倍增电压来控制。器件总的倍增倍数则由这两部分倍增倍数叠加决定。通过两次倍增，可将CCD的感光灵敏度由EMCCD单倍增时的10-4Lx提升到10-5Lx。
本发明的雪崩光敏二极管是在普通二极管基础上增加了一层倍增层，倍增层的注入浓度在1012/cm2量级，通过对雪崩光敏二极管施加反偏电压，电压值在30V-40V，可实现20-30倍的倍增能力；
电子倍增结构采用与移位寄存器相同的MOS结构，通过施加30V-50V的电压，单级的倍增率可达到1.01倍，可根据总的倍增倍数需要设计倍增级数，如设计700级可实现1000倍的倍增能力。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高灵敏度双倍增内线转移CCD，其特征在于，所述双倍增内线转移CCD包括雪崩光敏二极管、垂直CCD信道、移位寄存器以及电子倍增结构；入射光子进入所述高灵敏度双倍增内线转移CCD，被雪崩光敏二极管吸收，通过对雪崩光敏二极管产生雪崩击穿，完成第一次的信号倍增；第一次倍增后的信号通过外部施加的转移脉冲转移到各个垂直CCD信道中，所述雪崩光敏二极管呈阵列排列，每一列雪崩光敏二极管的左侧安装有一个垂直CCD信道；每一个垂直CCD信道根据其所在雪崩光敏二极管阵列中的位置，分级将信号转移到移位寄存器中，通过外部施加的倍增电压，信号电荷由移位寄存器转移到电子倍增结构中，将信号电荷进行倍增，完成第二次的信号倍增。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度双倍增内线转移CCD；其特征在于，所述内线转移CCD还包括输出放大器；第二次倍增后的信号电荷通过输出放大器将其转换成输出电压输出，即完成信号的完整输出。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度双倍增内线转移CCD；其特征在于，所述垂直CCD信道的长度略长于所述雪崩光敏二极管的列高。
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