什么是背照式 CCD？

當(dāng)我們說圖像傳感器是前照式時(shí)，我們的意思是它的物理配置類似于我們對(duì)典型 IC 的期望：引腳從設(shè)備的周邊向下延伸到安裝端子，即設(shè)備的“背面”面向 PCB 表面，器件的“正面”暴露在入射光下。 

大多數(shù) CCD 確實(shí)以這種方式工作，但事實(shí)證明，可以通過物理修改設(shè)備然后安裝它以使入射光從另一側(cè)到達(dá)來增強(qiáng)性能。用于此類實(shí)現(xiàn)的 CCD 稱為背照式 CCD。

前照明和降低的靈敏度

我們?cè)诒鞠盗械?4 部分中看到的下圖提醒我們，CCD 是由一層多晶硅柵極（又名電極）構(gòu)成的，覆蓋了移位寄存器和設(shè)備的潛在光敏部分。

在全幀和幀轉(zhuǎn)移 CCD中，光活性位點(diǎn)位于電極下方，因此來自 CCD 正面的光必須穿過多晶硅才能產(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?a target="_blank">二極管不是移位寄存器的一部分，因此不需要被多晶硅柵極覆蓋。然而，在這種情況下，我們用一個(gè)限制換取另一個(gè)限制：行間轉(zhuǎn)移方法降低了整體靈敏度，因?yàn)楣饷粑稽c(diǎn)占據(jù)了各自像素的相對(duì)較小部分。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(zhǎng)相關(guān)行為

光感應(yīng)電荷的產(chǎn)生發(fā)生在硅的不同物理深度，具體取決于吸收系數(shù)，而吸收系數(shù)又是波長(zhǎng)的函數(shù)。下圖表達(dá)了這種現(xiàn)象。紅色波代表較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子（例如紅光或紅外輻射），藍(lán)色波代表較短波長(zhǎng)的光子（例如藍(lán)光或紫外線輻射）。 

在前照式系統(tǒng)中，CCD 對(duì)光的響應(yīng)因多晶硅電極的存在而顯著改變。首先，電極并不是完全透明的；它們會(huì)散射和反射入射光，從而降低整體靈敏度。

此外，電極使得某些波長(zhǎng)的檢測(cè)基本上不可能，因?yàn)樗鼈兊暮穸瘸^了吸收深度。例如，如果多晶硅層的厚度為 500 nm，則吸收深度小于 500 nm 的 UV 輻射無法在 CCD 中產(chǎn)生任何電響應(yīng)。

CCD 檢測(cè)光的能力通過量子效率 (QE) 來體現(xiàn)，它表示實(shí)際轉(zhuǎn)化為可用電荷的入射光子的百分比。可以一般光學(xué)響應(yīng)或特定波長(zhǎng)的 QE。典型的前照式 CCD 會(huì)受到多晶硅柵極的有害影響，在 700 nm 附近的 QE 約為 50%，在可見光譜范圍內(nèi)的平均 QE 可能為 25-30%。  

了解背光

如果光從器件的另一側(cè)進(jìn)入，我們就完全繞過了麻煩的多晶硅電極。這提高了整體量子效率，并且在需要對(duì)較短波長(zhǎng)輻射敏感的應(yīng)用中特別有利。

配備良好減反射涂層的背照式 CCD 在可見光譜范圍內(nèi)的平均量子效率可以超過 70%。在某些波長(zhǎng)下，理論值接近100%，測(cè)量值超過90%。下圖提供了前照式 QE 和背照式 QE 的總體比較。

背面照明：缺點(diǎn) 

正如您可能猜到的，這種性能的提高是有代價(jià)的。首先是字面上的價(jià)格——背照式傳感器的厚度必須顯著減小，以確保足夠的靈敏度，而這種具有挑戰(zhàn)性的制造過程使得設(shè)備更加昂貴。

此外，用于減薄 CCD 的程序可能會(huì)導(dǎo)致缺陷增加噪聲。

如果 CCD 做得很薄，使得較長(zhǎng)波長(zhǎng)的吸收距離接近設(shè)備的厚度，那么我們也有可能會(huì)用提高的短波長(zhǎng)靈敏度來?yè)Q取降低的長(zhǎng)波長(zhǎng)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(cè)的應(yīng)用可以受益于改進(jìn)的背面照明形式，其中較厚的基板與偏置電壓相結(jié)合，以防止光生電荷通過擴(kuò)散而損失。這些類型的 CCD 傳感器在運(yùn)行過程中被冷卻至極低的溫度；在正常溫度下，暗電流過多。

結(jié)論

我們已經(jīng)介紹了背光照明的特性以及工程師采用該技術(shù)的原因。背照式 CCD 不是那種可以放入廉價(jià)相機(jī)中制作家庭視頻的東西，但在需要傳感器所能提供的量子效率的高性能系統(tǒng)中，它們值得付出額外的麻煩和費(fèi)用。