奧林巴斯顯微鏡光子與硅的相互作用

在電荷耦合器件（CCD）的入射光必須首先通過(guò)一個(gè)氮化硅鈍化涂層以及若干薄膜的二氧化硅和多晶硅柵結(jié)構(gòu)被吸收到硅襯底之前。 這種互動(dòng)式的教程探討光子與硅作為波長(zhǎng)的函數(shù)的相互作用。

操作教程，使用波長(zhǎng)滑塊來(lái)調(diào)整入射的光子的波長(zhǎng)（和能源）。 較短波長(zhǎng)的光子（400納米及以下）的反射或吸收到CCD的柵極區(qū)。 較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子（400至700納米）具有產(chǎn)生電荷中的電子井的高概率。 作為質(zhì)子波長(zhǎng)*過(guò)700納米的概率變大，該質(zhì)子將直接通過(guò)CCD而不被吸收。

CCD的光譜靈敏度不同于簡(jiǎn)單的硅光電二極管檢測(cè)器，因?yàn)镃CD的表面具有用于對(duì)于由多晶硅柵電極，薄膜的二氧化硅，和氮化硅鈍化層的屏蔽電荷轉(zhuǎn)移通道。 這些結(jié)構(gòu)中，來(lái)自攝像區(qū)域，并保護(hù)免受潮濕和靜電放電的CCD的用于時(shí)鐘輸出的電荷，吸收較短波長(zhǎng)（450納米和更低的），并降低器件的藍(lán)色的靈敏度。 多晶硅透過(guò)率開(kāi)始下降低于600納米，并且材料變得基本上是不透明的光子在400納米，但這個(gè)量取決于通過(guò)的光通過(guò)薄膜在CCD上表面柵極厚度和干涉效應(yīng)。 行間傳輸CCD具有從標(biāo)準(zhǔn)的多晶硅柵結(jié)構(gòu)，一個(gè)因素，減少干擾的影響，并產(chǎn)生一個(gè)較理想的和均勻的光譜響應(yīng)偏離光電二極管。 這些設(shè)備通常也配備有產(chǎn)生較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子減小的響應(yīng)垂直antibloom水渠。 作為光子以上700納米被深深吸收到硅襯底，并靠近掩埋漏，它們具有產(chǎn)生電子，將擴(kuò)散到漏極和瞬間除去的機(jī)會(huì)較大。 量子效率也取決于柵電壓，以更低的電壓產(chǎn)生小耗盡區(qū)，反之亦然。

光生伏打效應(yīng)，其中光能量的光子的形式被轉(zhuǎn)換成電子電位，依賴于很寬的條件范圍。 當(dāng)在400至1100納米范圍內(nèi)的可見(jiàn)光和紅外線的光子碰撞的硅原子位于一個(gè)CCD的基板內(nèi)，電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶激發(fā)，由于光子和硅軌道電子之間的反應(yīng)。 有許多因素決定通過(guò)的光能，包括吸收系數(shù)，光子復(fù)合壽命，擴(kuò)散長(zhǎng)度，以及化學(xué)和CCD上表面覆蓋材料的物理性質(zhì)，量子生成的電子的電荷量。 在硅光子的吸收系數(shù)的波長(zhǎng)依賴性，具有長(zhǎng)波長(zhǎng)（大于800納米）的光子被吸收更深比那些具有較短波長(zhǎng)的硅襯底。

在情況下，光子的能量大于帶隙能量，電子具有被激發(fā)到導(dǎo)帶的概率高，從而成為移動(dòng)。 這種相互作用也被稱為光電效應(yīng) ，并且是依賴一個(gè)臨界波長(zhǎng)高于該光子具有足夠的能量，以激發(fā)或促進(jìn)定位于價(jià)帶的電子，并產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)時(shí)。 當(dāng)光子*過(guò)臨界波長(zhǎng)（通常*過(guò)1100納米），帶隙能量大于所述內(nèi)在光子能量，并且光子完全穿過(guò)硅襯底。 表1列出了深度（微米），在該90％的入射光子由一個(gè)典型的CCD吸收。（奧林巴斯顯微鏡）

大多數(shù)具有450和700納米之間的波長(zhǎng)的光子的要么在耗盡區(qū)或CCD基板的散裝材料（硅）內(nèi)吸收。 那些吸收到與耗盡區(qū)具有的量子效率接近100％，而在進(jìn)入襯底的光子產(chǎn)生電子該體驗(yàn)三維隨機(jī)游走，要么與空穴復(fù)合或擴(kuò)散到耗盡區(qū)。 對(duì)于那些具有可忽略的擴(kuò)散長(zhǎng)度的電子，量子效率是非常低的，但那些具有高擴(kuò)散長(zhǎng)度*終達(dá)到一個(gè)充電良好。

在專為科學(xué)應(yīng)用的數(shù)碼相機(jī)使用的CCD大多數(shù)陣列密封在一個(gè)受保護(hù)的環(huán)境，減少偽影，提高響應(yīng)，并延長(zhǎng)CCD壽命。 傳入的光子通常必須通過(guò)一個(gè)玻璃或石英窗到達(dá)像素陣列，并進(jìn)入硅襯底。 反射損失在窗口表面發(fā)生在所有光子的波長(zhǎng)，和光子的透過(guò)率透過(guò)玻璃（但不石英）急劇下降為低于400納米的波長(zhǎng)。 科學(xué)CCD傳感器是專為需要高靈敏度和采用石英涂層在所有波長(zhǎng)減小反射應(yīng)用。