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电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)是由美国贝尔实验室首次研发出来的新型光电器件,金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor, MOS)电容是其基本像元。CCD图像传感器具有以下几项突出优点:小质量、小体积、较长的使用寿命、高灵敏度、较大的动态范围、低功耗以及高准确度、高分辨率。基于它的突出优点,CCD在国防、工业生产、医学界和其它科学研究领域中的应用非常广泛。现代光电对抗领域,CCD受限于其抗干扰性能较低而极易被激光干扰,高强度激光甚至能够烧毁探测器的传感器部件,造成CCD内部结构和材料的永久性损坏,使其无法成像。红外波段的激光由于具有很强的大气穿透能力,主要被用于军事中的激光制导以及激光雷达技术[1-10]。自21世纪开始,出现大量有关激光干扰及损伤CCD的现象及原理研究,但大部分集中在干扰阈值的测量和干扰机理的分析。参考文献[10]~参考文献[15]中研究了激光对CCD及互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)探测器的干扰及损伤阈值,但是没有进行数值计算验证。参考文献[15]~参考文献[20]中研究了1064nm激光干扰CCD时激光的干扰机理,但是却缺乏仿真分析来具体说明。本文中通过搭建实验光路,模拟近红外激光辐照CCD探测器的干扰过程,进一步完善了1064nm激光对CCD的干扰机理,并对干扰情况作了定量计算和仿真,得出激光干扰过程中激光功率同CCD饱和像元的关系曲线和CCD受干扰时内部载流子扩散的仿真模型,与实验数据基本吻合, 丰富了利用红外激光对CCD干扰的研究。
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CCD的基本像元MOS结构主要包括:金属、氧化物和半导体。MOS电容以阵列方式排布在硅衬底上,通过MOS电容器的非稳态CCD得以正常工作。CCD的工作原理主要有:电荷产生、存储以及转移。
在硅衬底上生长一层厚度为d的SiO2,其上再镀一层薄铝作为栅电极即构成MOS电容的基本结构,如图 1所示。给栅极施加合适的偏置电压Ug,利用p-Si衬底较高的电子迁移率,MOS电容器的电压特性随之改变。若栅极不施加电压,MOS表面因为没有电场的作用,其表面载流子浓度同体内相等,MOS本身无电性,各个能带呈平坦状态,如图 2a所示,其中Ep为p型半导体的费米能级,Em为金属的费米能级,Ei为半导体材料的中心能级,Ev为价带顶。当给栅极施加Ug>0小电压时,从界面到主栅极末端的电场排斥了衬底上的空隙,即达到多数载流子的“耗尽状态”,此时表面势Us>0,如图 2b所示,多子体从地表耗尽形成耗尽层。
当外加电压Ug达到某个阈值Uth时,表面处形成电子势阱,在这一点上,MOS电容器可以存储电荷。若再以光照作用CCD表面,MOS电容将产生光生载流子为势阱注入电子-空穴对,电荷包的不断注入使得电势升高,势阱深度则会相应变浅。
图 3为三相CCD图像传感器的电荷包转移过程示意图。通过改变CCD电极的电压,电荷包得以传输。电势差使得电荷由高电势流向低电势,直到两极拥有相同数量的电荷。图 3中,t1时刻为初始时间,在电极ϕ1上加上正偏压,其余电极电压为0V,此时电极ϕ1下储存着大量的电荷。一段时间后,ϕ1下存储的电荷转移到ϕ2,电极ϕ2电压升高,ϕ1相应降低,其余不变。在t2时刻下,电极ϕ1电压降到0,电极ϕ2的电压上升为ϕ1的初始值,此时第一势阱内的电荷全部流入第二势阱,从t2时刻开始,ϕ2以相同的方式向ϕ3继续输送电荷,t3时刻,存储在ϕ2电极下的全部都转移到了ϕ3,因此ϕ3电极的电势最高,ϕ1和ϕ2电势都为0,以此类推,实现了电荷的转移,如图 3所示。
图 3a为CCD电荷包转移电势波形图。从图中可以看出三相CCD的时钟波形。相差的周期为T/3,即代表电荷包向右移动一个电极所用的时间。在该周期中,时钟脉冲由t1~t4视为一个周期T。图 3b为电荷包转移的电荷容量示意图。对应各个时钟脉冲,势阱中的电荷量在电势差下进行量变,实现了电荷转移。对于p型半导体Si材料,产生的信号电荷Qs为:
$ {Q_{\rm{s}}} = eSg{t_0}I $
(1) 式中,t0为CCD相机的快门时间; g=η(1-R)/(hν), R为CCD像元表面的反射率, η为量子效率, h为普朗克常数, ν为入射光的频率; I为入射光的功率密度; e为单位电荷量; S为受光面积。像元的电势会随着信号电荷的增加而逐渐降低,直到表面电势下降到与邻近MOS电容的表面势相等时,信号电荷便向邻近势阱转移。此时MOS电容串扰电荷阈值Qs, 0表示为:
$ {Q_{{\rm{s}}, 0}} = {V_{\rm{g}}}{C_{\rm{i}}} - S\sqrt {2{\varepsilon _0}{\varepsilon _{\rm{i}}}{N_{\rm{a}}}{V_{{\rm{s, 0}}}}} $
(2) 式中,Vg为像元的栅极电压,Ci为MOS电容, ε0为未饱和像元绝缘层的介电常数,εi为饱和像元绝缘层的介电常数,Na为半导体材料的受主杂质浓度,Vs, 0为半导体与地之间的电压。
此外,光生载流子的产生速率公式如下:
$ v = \frac{{{I_0}\alpha \eta \left( {1 - {R_0}} \right){{\rm{e}}^{ - \alpha x}}}}{{hf}} $
(3) 式中, I0是入射激光的能量密度, R0是CCD像元反射率, α是吸收率, x为光照后耗尽层深度,f是激光的频率。由上式可推导出单个MOS像元饱和所需时间为:
$ t = \frac{{\left[ {{V_{\rm{g}}}{C_{\rm{i}}} - \left( {xw} \right)\sqrt {2{\varepsilon _0}{\varepsilon _{\rm{i}}}{N_{\rm{a}}}{V_{{\rm{s, 0}}}}} } \right]hf}}{{{I_0}\alpha \eta \left( {1 - {R_0}} \right){{\rm{e}}^{ - \alpha x}}}} $
(4) 式中,w为MOS像元受光区域的底面积。
因此,如果光积分时间过长或者光强度过高,耗尽区的电荷饱和并出现“溢出”现象,则会干扰相邻位置的信号,使图像不清晰,甚至无法区分。
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对于CCD像元间电荷的扩散过程,假设有一片紧密排布的“小桶”方阵,小桶形状和容量都相同,外界往中心小桶中不断注入“水滴”,水满则溢往周围小桶。将水滴比作光照,势阱中积累电荷,就如同不断的在“小桶”中聚集“水滴”,电荷在势阱中聚集满后,会向邻近势阱溢流。CCD基本像元结构以及像元间电子溢出方式如图 8所示。假设激光辐照在CCD的一个中心像元上,该像元的光生载流子达到饱和,接着继续产生的载流子向临近的像元溢出,光生载流子填满周围的像元后,饱和的像元又会继续向周围像元溢出载流子,直到产生的载流子全部容纳在像元里,由于CCD水平方向沟阻结构的制约,载流子在水平方向的溢出速度远小于垂直方向的溢出扩散速度,所以光强达到一定程度后就会出现穿过光斑中心的垂直串扰线。
当强光辐照探测器后,光子能量超过带隙则实现电子跃迁,产生电荷,电荷可表示为:
$ Q = \eta qPSt'/\left( {hv} \right) $
(5) 式中, q为电子电荷,P为入射光功率,t′为光照时间。“水滴”视为光生电荷量,已知电荷量正比于光功率,设定“小桶”盛满水的电荷阈值是Qth,“小桶”盛满水后会向邻近“小桶”溢流,根据光生载流子扩散规律,可知饱和像元数满足:
$ N - {w_i} = 1 + \sum\limits_{i = 1}^m {\left( {4i} \right)} $
(6) 式中, i为载流子向外扩散的圈数,根据实验中CCD相机的像素数,i取0~274之间的整数,wi为i圈时的串音线上的饱和像元数。N个饱和像元的总电荷数Q为:
$ Q = N{Q_{{\rm{th}}}} $
(7) 则推导出一定时间、功率和CCD饱和像元数的关系为:
$ N = \eta qSPt'/\left( {hv{Q_{{\rm{th}}}}} \right) + {w_i} $
(8) 基于上述实验现象中在功率较低时,串音线数量和亮度变化较为稳定,通过MATLAB统计得到功率小于500μW时,串音线上平均饱和像素点数为110pixel。根据表 1中激光器和CCD性能结构参量数据,利用MATLAB建立CCD光生载流子的“水滴”扩散模型,仿真干扰光斑如图 9所示。
Table 1. Parameters of CCD
parameter value η 0.12 h 6.626×10-34J·s Qth 1.12×105C ν 500Hz q 1.6×10-19C t′ 300s 根据图 8中光生载流子扩散方式,计算不同功率下的光斑面积来设置初始饱和光斑区域,进而得出不同功率下的干扰情况和饱和像元数。图 9分别为激光功率194μW和334μW的串音仿真图。可以看出,干扰区域中心饱和光斑近似椭圆形,串音线穿过光斑中心,距离中心光斑越远像元饱和程度越低,饱和光斑集中在靠近中心光斑的区域,符合CCD结构特性和干扰机理。计算并绘制激光辐照CCD表面300s时饱和像元数随激光功率的变化曲线, 如图 10所示。
由图 10可知,利用MATLAB“水滴”模型仿真得出的仿真数据同公式拟合数据以及实验数据均吻合得较好。通过公式拟合、模型仿真以及实验数据的对比,可以将CCD光生载流子的扩散过程的理论分析,定量计算以及实际干扰过程紧密结合起来。对于仿真及拟合数据和实验数据的误差,分析为:仿真过程并未考虑实验过程中出现的点阵光斑和旁支串音线对饱和像素点数的影响,仿真过程只针对一个干扰光斑和穿过其中心的一条串扰线,此外,拟合曲线中饱和像素点数的计算中,串音线和光斑重合部分的饱和像元数没有剔除,实际串音线上的饱和像元数小于公式中的,这也造成了拟合与实验数据的误差。整体来说,根据图 10中饱和像元数随激光功率的变化曲线对比图中仿真结果同实际数据的基本吻合可以证明此方法正确,并具有可靠性。
近红外激光对图像传感探测器的干扰研究
Study on interference of near-infrared laser to charge-coupled device detector
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摘要: 为了研究近红外激光对图像传感器的干扰机理,利用波长为1064nm的连续激光辐照黑白电荷耦合器件相机,观察激光对黑白相机的干扰现象, 将实验中采集到的数字图像进行处理,提取了黑白相机在不同激光功率下的干扰程度曲线,并进行了分析。结果表明, 图像传感器相机干扰包括干扰光斑和串音线,激光功率越高,干扰光斑半径越大,串音线缓慢变宽,相应干扰区域中饱和像元数越多,干扰程度越严重;对于1064nm激光对黑白相机的干扰过程,饱和像元数量正比于激光功率基本呈线性增长;对实验现象中出现的规律性点阵光斑和旁支串音线的新现象解释为与光学镜头的傅里叶频谱性质有关;利用相关公式推导得出一般干扰过程的拟合曲线,并根据图像传感器基本像元结构的电容势阱特点和载流子溢出方式来对干扰过程进行仿真模拟,仿真结果与实验数据基本相符。该结果有助于近红外激光对CCD的干扰研究。Abstract: In order to study the interference mechanism of near-infrared laser to image sensor, a monochromatic charge-coupled device(CCD) detector was irradiated by continuous laser with a wavelength of 1064nm. The interference phenomenon of laser to monochromatic camera was observed and the digital image collected by the experiment was processed. And the interference degree curves of monochromatic camera under different laser powers were extracted. After analysis, the following conclusions were obtained: CCD interference includes interference spot and crosstalk line. The higher the laser power is, the larger the interference spot radius is, and the crosstalk line is slowly widened. The more number of saturated pixels in the corresponding interference region, the more serious the interference degree. For the interference of 1064nm laser to monochromatic camera, the number of saturated pixels is almost linearly proportional to the laser power. Analysis of the new phenomena of regular dot-matrix and side-by-side crosstalk appearing in experimental phenomena is related to Fourier spectral properties of optical lenses. The fitting curve of the general interference process is derived by using the relevant formula. Finally, the interference process is simulated according to the characteristics of the CCD basic pixel structure capacitor potential trap and the carrier overflow mode. The simulation results are basically consistent with the experimental data.
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Table 1. Parameters of CCD
parameter value η 0.12 h 6.626×10-34J·s Qth 1.12×105C ν 500Hz q 1.6×10-19C t′ 300s -
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