§24 硅二极管阵.pdf

§2.4 硅二极管阵 硅二极管阵是利用光伏效应(光电荷效应)制成的光 敏元件（光敏二极管），组成面列，将拍摄的天体的 各个光信息，转换为电信号，读出并放大，由计算机 接收，获得具有空间二维分辨率的天体像和光谱。 包括雷迪康(Reticon) 自扫描二极管阵(IDA) 、电荷耦 合器件(CCD)和电荷注射器件(CID)等。它们是一种二 维光电器件，综合了照相底片和光电倍增管的优点，上 世纪70年代开始应用于天文观测，现已广泛应用于天体 测光和光谱的观测，已取代了照相底片，并基本取代光 电倍增管。 CCD探测器是根据入射辐射信号光子，在半导体中产生非 平衡光生载流子提供的电信号工作的。 CCD的特点是：初级过程以电荷为信号，而不同于其他大 多数器件是以电流或电压为信号。这类固体器件有多种，它们 的基本结构是类似的，主要可以分成三个部分： 光敏像元 收集曝光时间内入射辐射光子流，选择光电导性能 适合于观测波长的材料作为光敏像元，如在可见光和红外 区，用硅作为光敏像元。 电荷存储储存在曝光时间内光敏元件释放出来的电子，组成 一个电荷包，电荷包的电子数与入射光辐射强度成函数关系。 电荷转移读出在存储单元中存储的电荷包，并把它变成一系 列代表光辐射强度的模拟电脉冲。读出系统中，主要的也是 很有意思的是电荷包的转移。 硅光二极管的工作原理 它是一种半导体器件，由P-N结组成，P-N结内部存在一个 内部电位差。当有光照时，P和N物质中的原子吸收光量子， 使原来处于束缚态的价电子激发成为自由电子。 P型物质区的电 子-空穴对中，自 由电子由于电位 差会吸收到N区； N区的电子也会吸 到P区。这种电流 是由光照引起的。 测定这种电流， 就可确定光照的 强度。 自扫描二极管阵(IDA)是把许多硅二极管排列起来组成线 阵，工作原理如图所示，场效应开关受扫描脉冲发生器控 制，顺序打开与接通二极管，依次输出每个二极管内的光 生电信号，经放大送到计算机。 自扫描二极管线阵一般是条状的，可用于光谱测量。 典型产品是Reticon. §2.5 电荷耦合器件 - CCD 60 年代中期以来, 发展了新的固体探测器件— 电荷耦合器 件— Charge Coupled Device, 简称 CCD 。CCD具有量子 效率高、噪声低、动态范围宽和线性度好，兼有照相底片 和光电倍增管的优点,广泛应用于天文观测。据不完全的统 计，在全世界的光学天文台，几乎90%光学/红外望远镜的 观测时间都应用这种新型探测器。在现代实测天体物理 中，CCD 的应用正逐渐扩展到红外、紫外和x射线的观测。 鉴于它有很高的可靠性、功耗小以及集成化的优点，也广 泛应用于空间观测。已代替了照相底片。 2.5.1 CCD 成像的基本 原理： CCD 简单来说是硅MOS电容阵列组成的光电子器件，在 实际的观测中它和底片一样可以得到天体的像，不同的 是此像是一个电子潜像，而不是乳胶的光化学潜像。我 们把每一光敏单元称为一个像素(pixel),是基本成像单 元，每一个像素的大小可以做到9μ×9μ。天文上常用 的CCD由512×512像素组成，目前可做到5k×5k像素。 V V V V 金属电极 + + G th + G th 氧化层 PNP型半导体 耗尽层 电子储存区(位阱) CCD的电荷存储是用MOS(Metal-Oxide-Semiconductor,金 属-氧化物-半导体电容器)电容，它是由金属-氧化硅-P型半 导体三层材料构成的。金属层一般做成电极，在P型半导体上 加上正偏压VG后，P型半导体表面层的空穴形成带负电荷的 区，称之为空穴耗尽层区。当V 大于半导体的阈值电压V 时 G th 耗尽层加宽，并在表面有电荷积累，形成浓度很高的反型N型 层，叫做电荷的位阱 (电荷会因电位差而落