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奥林巴斯显微镜光子与硅的相互作用

2015-01-07  发布者:admin 

在电荷耦合器件(CCD)的入射光必须首先通过一个氮化硅钝化涂层以及若干薄膜的二氧化硅和多晶硅栅结构被吸收到硅衬底之前。 这种互动式的教程探讨光子与硅作为波长的函数的相互作用。

操作教程,使用波长滑块来调整入射的光子的波长(和能源)。 较短波长的光子(400纳米及以下)的反射或吸收到CCD的栅极区。 较长波长的光子(400至700纳米)具有产生电荷中的电子井的高概率。 作为质子波长超过700纳米的概率变大,该质子将直接通过CCD而不被吸收。

CCD的光谱灵敏度不同于简单的硅光电二极管检测器,因为CCD的表面具有用于对于由多晶硅栅电极,薄膜的二氧化硅,和氮化硅钝化层的屏蔽电荷转移通道。 这些结构中,来自摄像区域,并保护免受潮湿和静电放电的CCD的用于时钟输出的电荷,吸收较短波长(450纳米和更低的),并降低器件的蓝色的灵敏度。 多晶硅透过率开始下降低于600纳米,并且材料变得基本上是不透明的光子在400纳米,但这个量取决于通过的光通过薄膜在CCD上表面栅极厚度和干涉效应。 行间传输CCD具有从标准的多晶硅栅结构,一个因素,减少干扰的影响,并产生一个较理想的和均匀的光谱响应偏离光电二极管。 这些设备通常也配备有产生较长波长的光子减小的响应垂直antibloom水渠。 作为光子以上700纳米被深深吸收到硅衬底,并靠近掩埋漏,它们具有产生电子,将扩散到漏极和瞬间除去的机会较大。 量子效率也取决于栅电压,以更低的电压产生小耗尽区,反之亦然。

光生伏打效应,其中光能量的光子的形式被转换成电子电位,依赖于很宽的条件范围。 当在400至1100纳米范围内的可见光和红外线的光子碰撞的硅原子位于一个CCD的基板内,电子从价带到导带激发,由于光子和硅轨道电子之间的反应。 有许多因素决定通过的光能,包括吸收系数,光子复合寿命,扩散长度,以及化学和CCD上表面覆盖材料的物理性质,量子生成的电子的电荷量。 在硅光子的吸收系数的波长依赖性,具有长波长(大于800纳米)的光子被吸收更深比那些具有较短波长的硅衬底。

在情况下,光子的能量大于带隙能量,电子具有被激发到导带的概率高,从而成为移动。 这种相互作用也被称为光电效应 ,并且是依赖一个临界波长高于该光子具有足够的能量,以激发或促进定位于价带的电子,并产生一个电子-空穴对时。 当光子超过临界波长(通常超过1100纳米),带隙能量大于所述内在光子能量,并且光子完全穿过硅衬底。 表1列出了深度(微米),在该90%的入射光子由一个典型的CCD吸收。奥林巴斯显微镜

大多数具有450和700纳米之间的波长的光子的要么在耗尽区或CCD基板的散装材料(硅)内吸收。 那些吸收到与耗尽区具有的量子效率接近100%,而在进入衬底的光子产生电子该体验三维随机游走,要么与空穴复合或扩散到耗尽区。 对于那些具有可忽略的扩散长度的电子,量子效率是非常低的,但那些具有高扩散长度最终达到一个充电良好。

光子吸收深度
波长 
(纳米)
穿透深度 
(微米)
4000.19
4501.0
5002.3
5503.3
6005
6507.6
7008.5
75016
80023
85046
90062
950150
1000470
10501500
11007600
表1

在专为科学应用的数码相机使用的CCD大多数阵列密封在一个受保护的环境,减少伪影,提高响应,并延长CCD寿命。 传入的光子通常必须通过一个玻璃或石英窗到达像素阵列,并进入硅衬底。 反射损失在窗口表面发生在所有光子的波长,和光子的透过率透过玻璃(但不石英)急剧下降为低于400纳米的波长。 科学CCD传感器是专为需要高灵敏度和采用石英涂层在所有波长减小反射应用。