什么時(shí)候選用背照式CCD？優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)一文搞明白
本文討論了一種特殊類型的CCD，它增加了制造的復(fù)雜性，但也減輕了與采用更標(biāo)準(zhǔn)的CCD實(shí)施方法相關(guān)的性能限制。
在本文中，我們將介紹背照式CCD的概念及其優(yōu)缺點(diǎn)。
什么是背照式CCD？
當(dāng)我們說某個(gè)圖像傳感器是前照式時(shí)，是指它的物理配置類似于我們對(duì)典型IC的期望：引腳從設(shè)備的外圍延伸到安裝端子，即設(shè)備的"背面"面對(duì)PCB的表面，并且設(shè)備的"前部"暴露在入射光下。
實(shí)際上，大多數(shù)CCD都以上述這種方式工作，但是事實(shí)證明，可以通過對(duì)器件進(jìn)行物理上的改變，以使入射光從另一側(cè)進(jìn)入來提高其性能。這種類型的CCD就稱為背照式CCD。
前照式CCD和降低的靈敏度
下圖提醒我們，CCD由一層多晶硅柵極（又稱電極）構(gòu)成，該柵極覆蓋器件的移位寄存器和潛在的光敏部分。
在全幀和幀傳輸CCD中，光敏部位在電極下面，因此從CCD正面入射的光必須先通過多晶硅，然后才能產(chǎn)生電荷。這會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)嚴(yán)重的問題，我們稍后會(huì)看到。行間傳輸CCD似乎消除了這個(gè)問題，因?yàn)楣怆姸O管不是移位寄存器的一部分，因此不需要用多晶硅柵極覆蓋。
但是，在這種情況下，我們要權(quán)衡另一限制：行間傳輸方法會(huì)降低整體靈敏度，因?yàn)楣饷粑稽c(diǎn)占據(jù)了它們各自像素的相對(duì)較小的部分。通過將光聚焦到光電二極管上的微透鏡可以減輕但不能消除這種影響。
波長相關(guān)行為
光誘導(dǎo)的電荷產(chǎn)生發(fā)生在硅的不同物理深度，它取決于吸收系數(shù)，吸收系數(shù)又是波長的函數(shù)。下圖展示這種現(xiàn)象。紅波代表波長較長的光子（例如紅光或紅外輻射），藍(lán)波代表波長較短的光子（例如藍(lán)光或紫外輻射）。
在前照式系統(tǒng)中，由于存在多晶硅電極，CCD對(duì)光的響應(yīng)會(huì)大大改變。首先，電極不是完全透明的。它們會(huì)散射和反射入射光，因此會(huì)降低整體靈敏度。此外，由于電極的厚度超過吸收深度，對(duì)于某些波長的光，電極基本上檢測不到。例如，如果多晶硅層為500 nm厚，則吸收深度小于500 nm的UV輻射就不會(huì)在CCD中產(chǎn)生任何電響應(yīng)。
CCD檢測光的能力通過量子效率（QE）來表示，量子效率是指在某一特定波長下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。受到多晶硅柵極有害影響的典型前照式CCD在700 nm附近的最大QE約為50％，在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)可能平均為25-30％。
了解背照式CCD
如果光從設(shè)備的另一側(cè)進(jìn)入，我們將完全繞開麻煩的多晶硅電極，這樣就會(huì)提高整體量子效率，在需要對(duì)短波長輻射敏感的應(yīng)用中特別有利。配備良好防反射涂層的背照式CCD在可見光譜范圍內(nèi)的平均量子效率可超過70％。在某些波長下，理論值接近100％，測量值超過90％。下圖提供了前照式QE和背照式QE的比較。
背照式帶來的缺點(diǎn)
您可能已經(jīng)猜到，性能的提高是有代價(jià)的。首先是字面上的價(jià)格-必須大大減小背照式傳感器的厚度，以確保足夠的靈敏度，而這一具有挑戰(zhàn)性的制造過程使該設(shè)備更加昂貴。
同樣，用于使CCD變薄的過程可能會(huì)導(dǎo)致缺陷，從而增加噪聲。如果將CCD制造得足夠的薄以至于吸收光的距離很短，那么我們有可能將增加的短波長靈敏度換成降低的長波長靈敏度。
例如，近紅外輻射可能會(huì)直接穿過硅基板。需要紅外檢測的應(yīng)用可受益于改進(jìn)的背照式形式，其中較厚的基板與偏置電壓結(jié)合在一起，可防止光生電荷因擴(kuò)散而損失。因?yàn)樵诔叵掳惦娏魈啵虼诉@些類型的CCD傳感器在運(yùn)行過程中被冷卻到極低的溫度。
結(jié) 論
我們已經(jīng)介紹了背照式CCD的特性以及鼓勵(lì)工程師采用該技術(shù)的原因。什么時(shí)候采用背照式CCD是由用戶市場決定的，但在需要傳感器能夠提供最大量子效率的高性能系統(tǒng)中，我們值得為其付出額外的麻煩和費(fèi)用。
作者：Robert Keim
編譯：21ic 王麗英
來源：ALL ABOUT CIRCUITS
【2】編程語言那么多，為什么偏偏是C語言成了大學(xué)的必修課？
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