什么时候选用背照式CCD？优点、缺点一文搞明白

geren2014

本文讨论了一种特殊类型的CCD，它增加了制造的复杂性，但也减轻了与采用更标准的CCD实施方法相关的性能限制。

在本文中，我们将介绍背照式CCD的概念及其优缺点。

什么是背照式CCD？

当我们说某个图像传感器是前照式时，是指它的物理配置类似于我们对典型IC的期望：引脚从设备的外围延伸到安装端子，即设备的"背面"面对PCB的表面，并且设备的"前部"暴露在入射光下。

实际上，大多数CCD都以上述这种方式工作，但是事实证明，可以通过对器件进行物理上的改变，以使入射光从另一侧进入来提高其性能。这种类型的CCD就称为背照式CCD。

前照式CCD和降低的灵敏度

下图提醒我们，CCD由一层多晶硅栅极（又称电极）构成，该栅极覆盖器件的移位寄存器和潜在的光敏部分。

在全帧和帧传输CCD中，光敏部位在电极下面，因此从CCD正面入射的光必须先通过多晶硅，然后才能产生电荷。这会导致相当严重的问题，我们稍后会看到。行间传输CCD似乎消除了这个问题，因为光电二极管不是移位寄存器的一部分，因此不需要用多晶硅栅极覆盖。

但是，在这种情况下，我们要权衡另一限制：行间传输方法会降低整体灵敏度，因为光敏位点占据了它们各自像素的相对较小的部分。通过将光聚焦到光电二极管上的微透镜可以减轻但不能消除这种影响。

波长相关行为

光诱导的电荷产生发生在硅的不同物理深度，它取决于吸收系数，吸收系数又是波长的函数。下图展示这种现象。红波代表波长较长的光子（例如红光或红外辐射），蓝波代表波长较短的光子（例如蓝光或紫外辐射）。

在前照式系统中，由于存在多晶硅电极，CCD对光的响应会大大改变。首先，电极不是完全透明的。它们会散射和反射入射光，因此会降低整体灵敏度。此外，由于电极的厚度超过吸收深度，对于某些波长的光，电极基本上检测不到。例如，如果多晶硅层为500 nm厚，则吸收深度小于500 nm的UV辐射就不会在CCD中产生任何电响应。

CCD检测光的能力通过量子效率（QE）来表示，量子效率是指在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。受到多晶硅栅极有害影响的典型前照式CCD在700 nm附近的最大QE约为50％，在整个可见光谱范围内可能平均为25-30％。

了解背照式CCD

如果光从设备的另一侧进入，我们将完全绕开麻烦的多晶硅电极，这样就会提高整体量子效率，在需要对短波长辐射敏感的应用中特别有利。配备良好防反射涂层的背照式CCD在可见光谱范围内的平均量子效率可超过70％。在某些波长下，理论值接近100％，测量值超过90％。下图提供了前照式QE和背照式QE的比较。

背照式带来的缺点

您可能已经猜到，性能的提高是有代价的。首先是字面上的价格-必须大大减小背照式传感器的厚度，以确保足够的灵敏度，而这一具有挑战性的制造过程使该设备更加昂贵。

同样，用于使CCD变薄的过程可能会导致缺陷，从而增加噪声。如果将CCD制造得足够的薄以至于吸收光的距离很短，那么我们有可能将增加的短波长灵敏度换成降低的长波长灵敏度。

例如，近红外辐射可能会直接穿过硅基板。需要红外检测的应用可受益于改进的背照式形式，其中较厚的基板与偏置电压结合在一起，可防止光生电荷因扩散而损失。因为在常温下暗电流太多，因此这些类型的CCD传感器在运行过程中被冷却到极低的温度。

结 论

我们已经介绍了背照式CCD的特性以及鼓励工程师采用该技术的原因。什么时候采用背照式CCD是由用户市场决定的，但在需要传感器能够提供最大量子效率的高性能系统中，我们值得为其付出额外的麻烦和费用。