[发明专利]一种高灵敏度双倍增内线转移CCD

说明书

本发明属于光电探测及成像技术领域，具体为一种高灵敏度双倍增内线转移CCD，所述双倍增内线转移CCD包括雪崩光敏二极管、垂直CCD信道、移位寄存器以及电子倍增结构；入射光子进入所述高灵敏度双倍增内线转移CCD，被雪崩光敏二极管吸收，通过对雪崩光敏二极管产生雪崩击穿，完成第一次的信号倍增；第一次倍增后的信号通过外部施加的转移脉冲转移到各个垂直CCD信道中，分级转移到移位寄存器中，通过外部施加的倍增电压，信号电荷由移位寄存器转移到电子倍增结构中，将信号电荷进行倍增，完成第二次的信号倍增。本发明能够通过前后双倍增，从而将CCD的灵敏度由10^‑4Lx提升到10^‑5Lx量级。

技术领域

本发明属于光电探测及成像领域，具体为一种高灵敏度双倍增内线转移CCD。

背景技术

在高灵敏度CCD方面，目前的主流器件为电子倍增CCD(EMCCD)，主要采用单倍增的方式在器件的转移后端设计电子倍增结构，实现对信号的放大倍增，目前EMCCD的等效噪声电子可控制在1个电子以内，探测灵敏度可达10^-3-10^-4Lx。

经过多年的发展，EMCCD技术已经成熟，倍增增益可达1000倍以上，探测灵敏度能够达到10^-4Lx。但目前类似于EMCCD这类只在后端单倍增的器件的探测灵敏度上已接近极限，若要进一步提高器件的探测灵敏度，需要由现在单倍增的器件向双倍增器件发展，通过前后双倍增，从而将CCD的灵敏度由10^-4Lx提升到10^-5Lx量级。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提出了高灵敏度双倍增内线转移CCD的创新处在于设计了雪崩光敏二极管和电子倍增结构，可实现对信号的两次放大倍增，进而大大提高CCD的感光灵敏度。其中雪崩光敏二极管位于内线转移CCD的光敏像元内，其倍增倍数可通过雪崩光敏二极管制作时的注入浓度以及工作时所施加的雪崩电压来控制；电子倍增结构的倍增倍数可通过所设计的倍增级数和外部所施加的倍增电压来控制。器件总的倍增倍数则由这两部分倍增倍数叠加决定。

本发明提出的一种高灵敏度双倍增内线转移CCD，其实现方案包括：所述双倍增内线转移CCD包括雪崩光敏二极管、垂直CCD信道、移位寄存器以及电子倍增结构；入射光子进入所述高灵敏度双倍增内线转移CCD，被雪崩光敏二极管吸收，通过对雪崩光敏二极管产生雪崩击穿，完成第一次的信号倍增；第一次倍增后的信号通过外部施加的转移脉冲转移到各个垂直CCD信道中，分级转移到移位寄存器中，通过外部施加的倍增电压，信号电荷由移位寄存器转移到电子倍增结构中，将信号电荷进行倍增，完成第二次的信号倍增。

优选的，所述内线转移CCD还包括输出放大器；第二次倍增后的信号电荷通过输出放大器将其转换成输出电压输出，即完成一次信号的完整输出。

优选的，所述雪崩光敏二极管呈阵列排列，每一列雪崩光敏二极管的左侧安装有一个垂直CCD信道；所述垂直CCD信道的长度略长于所述雪崩光敏二极管的列高。

优选的，所述分级转移到移位寄存器中包括每一个垂直CCD信道根据其所在雪崩光敏二极管阵列中的位置，分级将信号转移到移位寄存器中。

本发明的有益效果：

1、现有EMCCD的灵敏度大约在10^-4Lx，而本发明的双倍增内线转移CCD在感光像元前端能够对入射光子进行一次倍增，倍增倍数可以控制在20-30倍，可以抑制后端EMCCD倍增时的等效噪声。

2、器件再将感光像元前端倍增的信号转移到后端利用EMCCD进行再一次倍增，可以将器件的感光灵敏度提升到10^-5Lx量级。

3、本发明极大地增强器件的感光灵敏度，该技术对于单光子探测等对灵敏度要求极高的领域有积极的作用。

附图说明