奧林巴斯顯微鏡光子與硅的相互作用

奧林巴斯顯微鏡光子與硅的相互作用

在電荷耦合器件（CCD）的入射光必須首先通過一個氮化硅鈍化涂層以及若干薄膜的二氧化硅和多晶硅柵結(jié)構(gòu)被吸收到硅襯底之前。 這種互動式的教程探討光子與硅作為波長的函數(shù)的相互作用。

操作教程，使用波長滑塊來調(diào)整入射的光子的波長（和能源）。 較短波長的光子（400納米及以下）的反射或吸收到CCD的柵極區(qū)。 較長波長的光子（400至700納米）具有產(chǎn)生電荷中的電子井的高概率。 作為質(zhì)子波長*過700納米的概率變大，該質(zhì)子將直接通過CCD而不被吸收。

CCD的光譜靈敏度不同于簡單的硅光電二極管檢測器，因?yàn)镃CD的表面具有用于對于由多晶硅柵電極，薄膜的二氧化硅，和氮化硅鈍化層的屏蔽電荷轉(zhuǎn)移通道。 這些結(jié)構(gòu)中，來自攝像區(qū)域，并保護(hù)免受潮濕和靜電放電的CCD的用于時鐘輸出的電荷，吸收較短波長（450納米和更低的），并降低器件的藍(lán)色的靈敏度。 多晶硅透過率開始下降低于600納米，并且材料變得基本上是不透明的光子在400納米，但這個量取決于通過的光通過薄膜在CCD上表面柵極厚度和干涉效應(yīng)。 行間傳輸CCD具有從標(biāo)準(zhǔn)的多晶硅柵結(jié)構(gòu)，一個因素，減少干擾的影響，并產(chǎn)生一個較理想的和均勻的光譜響應(yīng)偏離光電二極管。 這些設(shè)備通常也配備有產(chǎn)生較長波長的光子減小的響應(yīng)垂直antibloom水渠。 作為光子以上700納米被深深吸收到硅襯底，并靠近掩埋漏，它們具有產(chǎn)生電子，將擴(kuò)散到漏極和瞬間除去的機(jī)會較大。 量子效率也取決于柵電壓，以更低的電壓產(chǎn)生小耗盡區(qū)，反之亦然。

光生伏打效應(yīng)，其中光能量的光子的形式被轉(zhuǎn)換成電子電位，依賴于很寬的條件范圍。 當(dāng)在400至1100納米范圍內(nèi)的可見光和紅外線的光子碰撞的硅原子位于一個CCD的基板內(nèi)，電子從價帶到導(dǎo)帶激發(fā)，由于光子和硅軌道電子之間的反應(yīng)。 有許多因素決定通過的光能，包括吸收系數(shù)，光子復(fù)合壽命，擴(kuò)散長度，以及化學(xué)和CCD上表面覆蓋材料的物理性質(zhì)，量子生成的電子的電荷量。 在硅光子的吸收系數(shù)的波長依賴性，具有長波長（大于800納米）的光子被吸收更深比那些具有較短波長的硅襯底。

在情況下，光子的能量大于帶隙能量，電子具有被激發(fā)到導(dǎo)帶的概率高，從而成為移動。 這種相互作用也被稱為光電效應(yīng) ，并且是依賴一個臨界波長高于該光子具有足夠的能量，以激發(fā)或促進(jìn)定位于價帶的電子，并產(chǎn)生一個電子-空穴對時。 當(dāng)光子*過臨界波長（通常*過1100納米），帶隙能量大于所述內(nèi)在光子能量，并且光子完全穿過硅襯底。 表1列出了深度（微米），在該90％的入射光子由一個典型的CCD吸收。（奧林巴斯顯微鏡）

大多數(shù)具有450和700納米之間的波長的光子的要么在耗盡區(qū)或CCD基板的散裝材料（硅）內(nèi)吸收。 那些吸收到與耗盡區(qū)具有的量子效率接近100％，而在進(jìn)入襯底的光子產(chǎn)生電子該體驗(yàn)三維隨機(jī)游走，要么與空穴復(fù)合或擴(kuò)散到耗盡區(qū)。 對于那些具有可忽略的擴(kuò)散長度的電子，量子效率是非常低的，但那些具有高擴(kuò)散長度*終達(dá)到一個充電良好。

在專為科學(xué)應(yīng)用的數(shù)碼相機(jī)使用的CCD大多數(shù)陣列密封在一個受保護(hù)的環(huán)境，減少偽影，提高響應(yīng)，并延長CCD壽命。 傳入的光子通常必須通過一個玻璃或石英窗到達(dá)像素陣列，并進(jìn)入硅襯底。 反射損失在窗口表面發(fā)生在所有光子的波長，和光子的透過率透過玻璃（但不石英）急劇下降為低于400納米的波長。 科學(xué)CCD傳感器是專為需要高靈敏度和采用石英涂層在所有波長減小反射應(yīng)用。