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奧林巴斯顯微鏡成像,量子效率

2013-11-20  發布者:admin 

 一個電荷耦合器件(CCD)的量子效率的光電響應創建和成功地讀出由設備的每個入射光子的電子 - 空穴對的數目定義為一個屬性。 此屬性是特別重要的應用,如熒光顯微鏡發射光子的波長在375-550納米範圍內,往往是具有相對高的矽的吸收係數低光成像。 標準的CCD,通過在柵電極和氧化物覆蓋在設備前麵的,它們被照亮的,更敏感的綠色和紅色的波長550和900納米之間的區域中。

CCD光譜靈敏度

的CCD的光譜靈敏度不同的一個簡單的矽光電二極管檢測器,因為CCD表麵具有用於電荷轉移,多晶矽柵電極,薄膜二氧化矽和氮化矽鈍化層所屏蔽的信道。 這些結構中,用於傳輸從成像區域的電荷從濕度和靜電放電保護CCD,吸收較短的波長(450納米和更低),該設備減少藍色的靈敏度。 低於600納米的多晶矽的透射率開始降低,材料變得基本上是不透明的,在400納米的光子,但吸收取決於柵極的厚度和CCD表麵的薄膜上的光通過幹涉效應。 隔行傳輸CCD具有偏離標準的多​​晶矽柵結構的一個因素,減少幹擾的影響,並產生一個更理想和更均勻的光譜響應的光電二極管。 這些設備也通常配有垂直antibloom下水道產生減少響應於較長波長的光子。 高於700納米的光子穿透深入到矽襯底接近埋地排水,他們有一個更大的機會,釋放出電子,將擴散到漏,並立即刪除。 量子效率也取決於柵極電壓,更低的電壓產生小的耗盡區,反之亦然。

傳統的膠片乳劑在可見光光譜的藍色區域的過敏,在由CCD的一個特點,往往導致在膠片上拍攝的圖像,並用CCD記錄之間的顏色差異顯示的響應。 像素的幾何形狀的更小的增長,作為藍色傳感器的響應的藍色光吸收問題的增加迅速減小像素大小。

一個典型的一個標準的CCD的光譜靈敏度曲線示於圖1(標準CCD),它應該指出的是,一個單獨的矽光電二極管的峰值量子效率為40%,顯著低於。 漣漪在頻譜發生,因為從CCD表麵的薄膜幹涉效應。 最近已增加與一些科學級的CCD(藍加曲線圖1),通過使用的開拓柵極材料和專有的熒光體塗料的藍綠色的靈敏度大幅改善,通道的透明度。 這種類型的塗料(LUMOGEN)直接存入到陣列表麵發光短的波長(120到450納米)高能量的紫外線和可見光激發時,在500至580納米的地區。 嵌入在塗層內的熒光體產生的二次在所有方向上發射的熒光,隻有那些進入陣列的光子被吸收,得到約15%到20%的量子效率。 該塗料對可見光透明的,因此它們不會影響超過450納米的波長處吸收光子,產生一個明顯的光譜響應範圍幾乎1000納米(120至1100納米)。

為了進行比較,圖1還示出對於人眼的光譜靈敏度曲線,對應的明和暗視覺,所產生的視錐細胞和杆,分別。峰值靈敏度是綠色(白晝暗光在555納米和507納米)與明視覺的3%和10%暗適應最大量子效率。 從這個數據,很明顯,AG亚游集团的眼睛相比,科學級CCD相機具有更廣泛的光譜靈敏度與高得多的量子效率。

柵極溝道的結構所產生的損失,完全消除了在背照式CCD。 在本設計中,光落到後麵的C​​CD的區域中,已通過蝕刻減薄,直到它是透明的(對應於約10至15微米)的厚度。 也示於圖1和圖2(背麵減薄,背照式CCD),將得到的光譜靈敏度曲線,示出使用此配置,可實現高量子效率。 然而,早細化結果在一個微妙的,相對昂貴的傳感器,迄今為止,隻有采用高端科學級CCD相機。

防反射塗層中使用的薄型背照式CCD的提高量子效率,但它是不可能產生的塗層在整個可見光範圍內是有效的。 增加在較長的波長的光譜響應的塗料往往會產生較低的波長的光子的吸收相應減少,所以研究正在進行的生產在整個可見光光譜是有效的防反射塗層。

光生伏打效應,其中在光子的形式的光能量被轉換成電子的潛力,是依賴於廣泛的條件。 當在400至1100納米範圍的可見光和紅外光的光子碰撞的位置的CCD基板內的矽原子,電子從價帶激發到導帶的光子之間的反應和矽軌道電子。 有許多因素決定,包括的吸收係數,光子複合壽命,擴散長度,和CCD表麵上的覆蓋材料的化學和物理性質的光能量由量子電子產生的電荷的量。 在矽中的光子的吸收係數是隨波長變化,到矽襯底中,比具有更短的波長的長波長(大於800納米)的光子穿透更深。

在光子的能量大於帶隙能量的情況下,電子被激發到導帶的概率較高,因而成為移動。 這種相互作用也被稱為光電效應 ,取決於臨界波長以上的光子有足夠的能量,以激發或促進位於價帶中的電子產生一個電子-空穴對。 當光子超過臨界波長(通常超過1100納米),帶隙能量大於內在的光子能量,光子完全穿過所述矽襯底。 表1列出了一個典型的CCD 90%的入射的光子被​​吸收的深度(微米)。

無論是在耗盡區或內的散裝材料(矽)的CCD基板450和700納米之間的波長的光子被吸收。 吸收到耗盡區將有接近100%,而進入基板中解放出來的電子遇到一個三維隨機遊走和任一重組的耗盡區到與孔或彌漫性的光子的量子效率。 對於那些電子的擴散長度可忽略不計,量子效率是非常低的,但具有高的擴散長度以及最終達到一個充電。

在矽光子吸收深度
波長 
(納米)
穿透深度 
(微米)
400 0.19
450 1.0
500 2.3
550 3.3
600 5.0
650 7.6
700 8.5
750 16
800 23
850 46
900 62
950 150
1000 470
1050 1500
1100 7600
表1

專為科學應用在數碼相機使用的CCD陣列被密封在一個受保護的環境,以減少工件,提高響應,並延長CCD生活。 入射的光子,通常必須通過在玻璃或石英窗到達像素陣列和輸入的矽襯底。 窗口表麵的反射損失發生在所有波長的光子,光子透過玻璃的透光率(但不石英)急劇下降,低於400納米的波長。 科學級CCD傳感器是專為需要高靈敏度和使用石英塗層來降低反射所有波長的應用。



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