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奧林巴斯顯微鏡光子與矽的相互作用

2018-03-29  發布者:admin 

在電荷耦合器件(CCD)的入射光必須首先通過一個氮化矽鈍化塗層以及若幹薄膜的二氧化矽和多晶矽柵結構被吸收到矽襯底之前。 這種互動式的教程探討光子與矽作為波長的函數的相互作用。

操作教程,使用波長滑塊來調整入射的光子的波長(和能源)。 較短波長的光子(400納米及以下)的反射或吸收到CCD的柵極區。 較長波長的光子(400至700納米)具有產生電荷中的電子井的高概率。 作為質子波長超過700納米的概率變大,該質子將直接通過CCD而不被吸收。

CCD的光譜靈敏度不同於簡單的矽光電二極管檢測器,因為CCD的表麵具有用於對於由多晶矽柵電極,薄膜的二氧化矽,和氮化矽鈍化層的屏蔽電荷轉移通道。 這些結構中,來自攝像區域,並保護免受潮濕和靜電放電的CCD的用於時鍾輸出的電荷,吸收較短波長(450納米和更低的),並降低器件的藍色的靈敏度。 多晶矽透過率開始下降低於600納米,並且材料變得基本上是不透明的光子在400納米,但這個量取決於通過的光通過薄膜在CCD上表麵柵極厚度和幹涉效應。 行間傳輸CCD具有從標準的多晶矽柵結構,一個因素,減少幹擾的影響,並產生一個較理想的和均勻的光譜響應偏離光電二極管。 這些設備通常也配備有產生較長波長的光子減小的響應垂直antibloom水渠。 作為光子以上700納米被深深吸收到矽襯底,並靠近掩埋漏,它們具有產生電子,將擴散到漏極和瞬間除去的機會較大。 量子效率也取決於柵電壓,以更低的電壓產生小耗盡區,反之亦然。

光生伏打效應,其中光能量的光子的形式被轉換成電子電位,依賴於很寬的條件範圍。 當在400至1100納米範圍內的可見光和紅外線的光子碰撞的矽原子位於一個CCD的基板內,電子從價帶到導帶激發,由於光子和矽軌道電子之間的反應。 有許多因素決定通過的光能,包括吸收係數,光子複合壽命,擴散長度,以及化學和CCD上表麵覆蓋材料的物理性質,量子生成的電子的電荷量。 在矽光子的吸收係數的波長依賴性,具有長波長(大於800納米)的光子被吸收更深比那些具有較短波長的矽襯底。

在情況下,光子的能量大於帶隙能量,電子具有被激發到導帶的概率高,從而成為移動。 這種相互作用也被稱為光電效應 ,並且是依賴一個臨界波長高於該光子具有足夠的能量,以激發或促進定位於價帶的電子,並產生一個電子-空穴對時。 當光子超過臨界波長(通常超過1100納米),帶隙能量大於所述內在光子能量,並且光子完全穿過矽襯底。 表1列出了深度(微米),在該90%的入射光子由一個典型的CCD吸收。奧林巴斯顯微鏡

大多數具有450和700納米之間的波長的光子的要麽在耗盡區或CCD基板的散裝材料(矽)內吸收。 那些吸收到與耗盡區具有的量子效率接近100%,而在進入襯底的光子產生電子該體驗三維隨機遊走,要麽與空穴複合或擴散到耗盡區。 對於那些具有可忽略的擴散長度的電子,量子效率是非常低的,但那些具有高擴散長度最終達到一個充電良好。

光子吸收深度
波長 
(納米)
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

在專為科學應用的數碼相機使用的CCD大多數陣列密封在一個受保護的環境,減少偽影,提高響應,並延長CCD壽命。 傳入的光子通常必須通過一個玻璃或石英窗到達像素陣列,並進入矽襯底。 反射損失在窗口表麵發生在所有光子的波長,和光子的透過率透過玻璃(但不石英)急劇下降為低於400納米的波長。 科學CCD傳感器是專為需要高靈敏度和采用石英塗層在所有波長減小反射應用。




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