本文關(guān)鍵詞：電子倍增CCD的倍增機(jī)理研究

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【摘要】：電子倍增電荷耦合器件(簡(jiǎn)稱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)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、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)稱增益EM-DAC與真實(shí)增益的對(duì)應(yīng)曲線,結(jié)果表明兩者并非線性關(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CIC),用本底噪聲測(cè)試法得到不同積分時(shí)間下CIC的數(shù)量級(jí)為0.01～0.1rms/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),(2)倍增寄存器使用淺摻雜突變分布,(3)選取單一載流子倍增,(4)使用單級(jí)增益、多級(jí)倍增方案。最后針對(duì)研究的不足之處,對(duì)今后電子倍增技術(shù)的發(fā)展與研究提出了展望。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN386.5

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 何偉基;陳錢;屈惠明;秦劍;;電子倍增CCD的電荷倍增特性研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2008年06期

2 張燦林;陳錢;尹麗菊;;電子倍增CCD倍增要件研究[J];光子學(xué)報(bào);2009年11期

3 段帷;趙昭旺;;基于EMCCD的成像系統(tǒng)的構(gòu)建[J];天文研究與技術(shù).國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊;2006年04期

4 向世明;三代微光和超二代微光夜視技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)[J];應(yīng)用光學(xué);1994年02期

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本文編號(hào)：1141304